Sistemas de almacenamento de enerxía en microrredes

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

• Energia berriztagarriak
• Energia
• Ingeniaritza

Evolución da rede eléctrica

XIX. Desde que a finais do século XX (1882) púxose en marcha por primeira vez en aplicacións reais, a rede eléctrica expandiuse constantemente por todo o mundo e cambiou radicalmente os nosos costumes. Hoxe en día non podemos imaxinar o noso día a día sen enerxía eléctrica.

Pero tamén hai que ter en conta ver que hai máis aló do enchufe, como funciona e como evoluciona nos últimos anos.

Nos seus inicios, a rede eléctrica funcionaba con corrente continua. A tensión que se podía obter era baixa, polo que non se podía transmitir esa enerxía a grandes distancias, xa que a intensidade da corrente a utilizar xeraba grandes perdas de enerxía nos cables de transmisión. Nos primeiros anos da rede eléctrica, o funcionamento da rede baseábase en xeradores instalados preto dos puntos de consumo. Xeración e consumo de enerxía local. O equilibrio entre a oferta e a demanda de enerxía realizábase mediante baterías conectadas directamente á rede.

Anos despois, en 1886, a aparición da corrente alterna permitiu a distribución da electricidade a maiores distancias. Mediante os transformadores, a tensión comezou a aumentar a valores altos (varios kV). Deste xeito, conseguiuse reducir considerablemente a corrente necesaria paira transmitir a mesma potencia, facendo viable a transmisión a grandes distancias. Ao reducir a intensidade de corrente conseguiuse una importante redución das perdas nos cables de transmisión respecto das perdas nos sistemas de corrente continua. Os transformadores dos centros de consumo cumprían a función oposta, é dicir, reducían a tensión a valores baixos tanto da iluminación como das máquinas. Tras o avance no despregamento da rede eléctrica, iníciase a centralización da enerxía nas grandes instalacións de xeración e o seu posterior traslado aos usuarios a través das liñas de transmisión e distribución. Foi o inicio da configuración actual da rede eléctrica.

Desde entón, a rede eléctrica foi fundamental tanto na industria como na vida cotiá. Con todo, co paso dos anos esta rede eléctrica centralizada empezou a quedar obsoleta. O consumo eléctrico é cada vez maior e nalgúns puntos as liñas de transmisión e distribución están saturadas. Ademais, a crise enerxética provocada pola limitación dos combustibles fósiles e a preocupación polo cambio climático ha levado a varios países a introducir cambios na xeración de enerxía. Neste contexto, a aposta polas enerxías renovables ha aumentado considerablemente en todo o mundo. Doutra banda, a liberalización do mercado eléctrico ha propiciado que os usuarios non só consuman enerxía senón que a xeran e véndena á rede.

Uso de fontes de enerxía renovables e microrredes

Por todas estas razóns, cada vez son máis os xeradores renovables que se conectan á rede eléctrica. Estes xeradores, en comparación coas instalacións centralizadas, son de pequeno tamaño e habitualmente sitúanse preto dos puntos de consumo. Por iso denomínanse xeradores de xeración distribuída.

En canto ao uso destes sistemas de xeración distribuída, podemos dicir que se empezou a cambiar a perspectiva de funcionamento da rede eléctrica desde un funcionamento centralizado cara a un descentralizado.

En xeral, os xeradores de xeración distribuída presentan dúas vantaxes importantes: reducir o consumo de combustibles fósiles e, ao estar próximos aos puntos de consumo, reducir as perdas nas liñas de transmisión e distribución. A proximidade destes pequenos xeradores aos puntos de consumo permite utilizar a calor que xeran paira outras aplicacións, como o quecemento de auga, o que mellora a eficiencia total do sistema.

A maioría dos xeradores de xeración distribuída están baseados en recursos enerxéticos renovables como o sol, o vento, etc. Dado que estes recursos enerxéticos non son controlables e o seu grao de variabilidade é elevado, o seu uso pode pór en perigo o bo funcionamento da rede eléctrica. Por tanto, é imprescindible integrar a enerxía eléctrica que xeran de forma controlada na rede. A microrred é un dos sistemas que se están estudando paira lograr este obxectivo.

Tal e como o seu nome indica, a microrred é una pequena rede eléctrica que inclúe microsensores, sistemas de acumulación, controladores (sistemas de comunicación, convertidores de electrónica de potencia, etc.). e a formada por cargas. Una das súas características máis importantes é a súa posibilidade de funcionamento conectado ou desconectado á rede eléctrica principal. É dicir, a microrred é capaz de funcionar de forma autónoma, polo que se hai algún problema na rede eléctrica principal, é capaz de desconectarse dela e seguir fornecendo enerxía eléctrica ás súas cargas.

A figura 1 mostra a estrutura simplificada dunha microrred.

Figura . Clasificación das tecnoloxías de almacenamento por enerxías e potencias específicas. Imaxe: Commons wikimedia.org,

A microrred alimenta varias ramas e conéctase á rede principal nun único punto. Ademais de poder desconectarse da rede eléctrica, é capaz de desconectar as ramas que alimenta. Desta forma poderíanse definir as prioridades das cargas en función da súa importancia. En caso necesario, poderíase interromper a alimentación dalgunhas cargas paira manter asegurada a alimentación de cargas máis importantes. Por exemplo, na figura 1 pódese interromper a alimentación da rama C paira asegurar a alimentación das cargas das ramas A e B.

A pesar das súas vantaxes, existen varias preguntas pendentes paira a implementación real das microrredes, polo que as microrredes son na actualidade o tema central dos traballos de investigación.

Necesidade de sistemas de almacenamento de enerxía

Uno dos problemas da microrred é que por definición é una rede débil. Neste sentido, é moi sensible aos cambios de potencia que poidan derivarse tanto dos xeradores de enerxía como das cargas, polo que estes cambios poden impedir a estabilidade da microrred. Por iso, é imprescindible o uso de sistemas de almacenamento de enerxía nunha microrred. A principal función dos sistemas de almacenamento é manter un equilibrio enerxético e de potencia entre a oferta e a demanda, paira asegurar o correcto funcionamento da rede eléctrica.

Á súa vez, un sistema de acumulación contribúe a reducir os efectos negativos da variabilidade dos xeradores renovables mediante a integración controlada da enerxía na rede. An ideal acumulation system that would clear this change potential and at the exit would be constant. Aínda que non existe un sistema de acumulación ideal, pode aproximarse a este obxectivo.

Para que una microrred acumule enerxía é imprescindible un sistema de acumulación de gran capacidade, gran potencia, rápida resposta e longa supervivencia. Na figura 2 clasifícanse algunhas das tecnoloxías de almacenamento dispoñibles actualmente en función da súa enerxía específica e a súa potencia específica. Estas dúas características determinan as capacidades enerxéticas e de potencia por unidade de masa dun sistema de acumulación. Definen a capacidade enerxética en Wh do sistema de almacenamento por quilogramo e a potencia en W.

Tal e como se pode observar na Figura 2, na actualidade non existe ningún sistema que ofreza altas capacidades tanto enerxéticas como de potencia. Por iso, una posible alternativa sería o sobredimensionamiento dun sistema de alta capacidade enerxética (ou de potencia) paira conseguir una alta capacidade de potencia (ou capacidade enerxética). Con todo, isto incrementaría demasiado o prezo. Por tanto, paira poder satisfacer as necesidades dunha microrred é necesario utilizar diferentes tecnoloxías de almacenamento de enerxía mediante a creación dun sistema de acumulación híbrido.

Este sistema de acumulación híbrido permitiría dispor dun sistema de almacenamento de alta capacidade, alta potencia, rápida resposta e longa supervivencia paira almacenar enerxía. Con todo, aínda que hai moita tecnoloxía, non existe un sistema híbrido capaz de dar os resultados máis adecuados paira todas as aplicacións. É necesario determinar a tecnoloxía máis adecuada paira cada aplicación, tendo en conta as vantaxes e inconvenientes de cada una delas.

Una vez seleccionado o sistema e determinado o seu tamaño, é necesario seleccionar o sistema máis adecuado do convertidor de potencia que permita controlar o fluxo de potencia do sistema de acumulación e conectar o propio sistema ao micro. A continuación deseñarase o algoritmo de control adecuado que xestione o seu uso en función tanto das condicións da rede como do estado do sistema de acumulación. De leste algoritmo dependerá a optimización do sistema de acumulación, así como a maximización da súa supervivencia, que depende do seu uso.

Ante a imposibilidade de comprender microrredes sen acumulación de enerxía, a integración e xestión dos sistemas de acumulación na rede é un tema a investigar paira a posta en marcha de aplicacións reais de microrredes. Os sistemas de acumulación xogan un papel fundamental nas microrredes do futuro.

Referencias