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Microrred

Una microrred es una red eléctrica local con límites eléctricos definidos, que actúa como una entidad única y controlable. [1] Puede operar en modo conectado a la red y en modo isla . [2] [3] Una " microrred autónoma " o " microrred aislada " solo opera fuera de la red y no se puede conectar a un sistema de energía eléctrica más amplio. [4] Las microrredes muy pequeñas se denominan nanorredes. [5]

Una microrred conectada a la red normalmente opera conectada y sincronizada con la red síncrona de área amplia tradicional (macrorred), pero es capaz de desconectarse de la red interconectada y funcionar de manera autónoma en "modo isla" según lo dicten las condiciones técnicas o económicas. [6] De esta manera, mejoran la seguridad del suministro dentro de la celda de la microrred y pueden suministrar energía de emergencia, cambiando entre los modos isla y conectado. [6] Este tipo de redes se denominan " microrredes islables" . [7]

Una microrred independiente tiene sus propias fuentes de electricidad , complementadas con un sistema de almacenamiento de energía . Se utilizan cuando la transmisión y distribución de energía desde una fuente de energía centralizada principal es demasiado lejana y costosa de operar. [1] Ofrecen una opción para la electrificación rural en áreas remotas y en islas geográficas más pequeñas. [4] Una microrred independiente puede integrar de manera efectiva varias fuentes de generación distribuida (GD), especialmente fuentes de energía renovables (FER). [1]

El control y la protección son dificultades para las microrredes, ya que todos los servicios auxiliares para la estabilización del sistema deben generarse dentro de la microrred y los bajos niveles de cortocircuito pueden ser un desafío para el funcionamiento selectivo de los sistemas de protección. Una característica importante es también la provisión de múltiples necesidades energéticas útiles, como calefacción y refrigeración además de electricidad, ya que esto permite la sustitución de portadores de energía y una mayor eficiencia energética debido al uso del calor residual para calefacción, agua caliente sanitaria y refrigeración (uso de energía intersectorial). [8]

Definiciones

El Grupo de Intercambio de Microrredes del Departamento de Energía de los Estados Unidos [9] define una microrred como "un grupo de cargas interconectadas y recursos energéticos distribuidos dentro de límites eléctricos claramente definidos que actúa como una entidad única controlable con respecto a la red. Una microrred puede conectarse y desconectarse de la red para poder operar tanto en modo conectado a la red como en modo isla". [10]

El Laboratorio Berkeley define: "Una microrred consiste en la generación y el almacenamiento de energía que puede alimentar un edificio, un campus o una comunidad cuando no está conectada a la red eléctrica, por ejemplo, en caso de desastre". Una microrred que se puede desconectar de la red eléctrica (en el "punto de acoplamiento común" o PCC) se denomina "microrred insular". [7]

Un proyecto de investigación de la UE [11] describe una microrred que comprende sistemas de distribución de bajo voltaje (LV) con recursos de energía distribuida (DER) ( microturbinas , celdas de combustible , energía fotovoltaica (PV), etc.), dispositivos de almacenamiento ( baterías , volantes de inercia ), sistema de almacenamiento de energía y cargas flexibles. Estos sistemas pueden operar conectados o desconectados de la red principal. El funcionamiento de las microfuentes en la red puede proporcionar beneficios al rendimiento general del sistema, si se gestiona y coordina de manera eficiente. [ cita requerida ]

Electropedia define una microrred como un grupo de cargas interconectadas y recursos energéticos distribuidos con límites eléctricos definidos, que forman un sistema eléctrico local a niveles de voltaje de distribución, es decir, tanto de baja como de media tensión hasta 35 kV. Este conjunto de nodos consumidores y productores asociados actúa como una única entidad controlable y puede operar en modo conectado a la red o en modo isla . [3]

Microgrid Knowledge [12] define una microrred como un "sistema de energía autosuficiente que sirve a una zona geográfica discreta, como un campus universitario, un complejo hospitalario, un centro de negocios o un vecindario". [13]

Una microrred independiente o aislada, a veces llamada "red insular", solo funciona fuera de la red y no se puede conectar a un sistema de energía eléctrica más amplio. Por lo general, están diseñadas para islas geográficas o para la electrificación rural. [4] En muchos países no industrializados, las microrredes que se utilizan para proporcionar acceso a la electricidad en áreas que anteriormente no estaban electrificadas a menudo se denominan " minirredes ". [14] Las nanorredes pertenecen a una sola casa o edificio y la interconexión de múltiples nanorredes forma una red (microrred), lo que facilita el intercambio de energía entre nanorredes individuales. [5]

Esquema típico de una microrred eléctrica basada en recursos de energía renovable en modo conectado a la red

Entorno del campus/microrredes institucionales

El objetivo de las microrredes del campus es agregar la generación existente en el sitio para soportar múltiples cargas ubicadas en un área geográfica limitada donde un propietario puede administrarlas fácilmente. [15] [16]

Microrredes comunitarias

Las microrredes comunitarias pueden dar servicio a miles de clientes y favorecer la penetración de la energía local (electricidad, calefacción y refrigeración). [17] En una microrred comunitaria, algunas casas pueden disponer de algunas fuentes renovables que puedan satisfacer su demanda y la de sus vecinos dentro de la misma comunidad. La microrred comunitaria también puede tener un sistema de almacenamiento de energía centralizado o varios sistemas distribuidos. Estas microrredes pueden adoptar la forma de microrredes de corriente alterna y corriente continua acopladas entre sí a través de un convertidor electrónico de potencia bidireccional. [18]

Microrredes remotas fuera de la red

Estas microrredes no suelen estar diseñadas ni pensadas para conectarse a la macrorred , sino que funcionan en modo isla en todo momento debido a cuestiones económicas o a la posición geográfica. Normalmente, una microrred "fuera de la red" se construye en zonas que están muy alejadas de cualquier infraestructura de transmisión y distribución y, por lo tanto, no tienen conexión a la red eléctrica. [15] [19] Los estudios han demostrado que la operación de microrredes fuera de la red en zonas remotas o islas, en las que predominan las fuentes renovables, reducirá el costo nivelado de la producción de electricidad durante la vida útil de dichos proyectos de microrredes. [20] [21] En algunos casos, las microrredes fuera de la red se incorporan de hecho a una red nacional o "macrorred", un proceso que requiere planificación técnica, reglamentaria y legal. [22]

Las grandes áreas remotas pueden ser abastecidas por varias microrredes independientes, cada una con un propietario (operador) diferente. Aunque estas microrredes están diseñadas tradicionalmente para ser autosuficientes energéticamente, las fuentes renovables intermitentes y sus variaciones inesperadas y agudas pueden causar un déficit de energía inesperado o una generación excesiva en esas microrredes. Sin almacenamiento de energía y controles inteligentes, esto causará inmediatamente una desviación inaceptable de voltaje o frecuencia en las microrredes. Para remediar tales situaciones, es posible interconectar dichas microrredes provisionalmente a una microrred vecina adecuada para intercambiar energía y mejorar las desviaciones de voltaje y frecuencia. [23] [24] Esto se puede lograr a través de un interruptor basado en electrónica de potencia [25] [26] después de una sincronización adecuada [27] o una conexión consecutiva de dos convertidores electrónicos de potencia [28] y después de confirmar la estabilidad del nuevo sistema. La determinación de la necesidad de interconectar microrredes vecinas y encontrar la microrred adecuada para acoplarse se puede lograr a través de enfoques de optimización [29] o toma de decisiones [30] .

Debido a que las microrredes remotas fuera de la red suelen ser pequeñas y construidas desde cero, tienen el potencial de incorporar las mejores prácticas del sector eléctrico mundial y de incorporar e impulsar la innovación energética. [31] Hoy en día es común ver microrredes remotas fuera de la red alimentadas en gran medida por energía renovable y operadas con controles inteligentes a nivel de cliente, algo que no siempre es fácil de implementar en el sector eléctrico más grande debido a los intereses de los titulares y a una infraestructura preexistente más antigua. [32] [33]

Microrredes de bases militares

Estas microrredes se están implementando activamente con foco tanto en la seguridad física como cibernética para instalaciones militares con el fin de garantizar energía confiable sin depender de la macrorred . [15] [34]

Este tipo de microrredes está madurando rápidamente en América del Norte y el este de Asia; sin embargo, la falta de estándares bien conocidos para este tipo de microrredes las limita a nivel mundial. Las principales razones para la instalación de una microrred industrial son la seguridad del suministro eléctrico y su confiabilidad. Hay muchos procesos de fabricación en los que una interrupción del suministro eléctrico puede causar grandes pérdidas de ingresos y un largo tiempo de puesta en marcha. [15] [19] Las microrredes industriales pueden diseñarse para suministrar procesos industriales de economía circular con emisiones (casi) cero, y pueden integrar la generación combinada de calor y electricidad (CHP), alimentándose tanto de fuentes renovables como de procesamiento de residuos; el almacenamiento de energía se puede utilizar adicionalmente para optimizar las operaciones de estos subsistemas. [35] Las microrredes también pueden estar ancladas por un gran minorista comercial con una gran cantidad de generación por razones económicas o de resiliencia. [36]

Topologías de microrredes

Se necesitan arquitecturas para gestionar el flujo de energía desde diferentes tipos de fuentes hacia la red eléctrica. Así, la microrred se puede clasificar en tres topologías: [37]

Microrred de CA

Las fuentes de alimentación con salida de CA se conectan al bus de CA a través de un convertidor de CA/CA que transformará la frecuencia y el voltaje variables de CA en una forma de onda de CA con otra frecuencia y otro voltaje. Mientras que las fuentes de alimentación con salida de CC utilizan convertidores de CC/CA para la conexión al bus de CA.

Microrred de CC

En la topología de microrredes de CC, las fuentes de energía con salida de CC se conectan al bus de CC directamente o mediante convertidores de CC/CC. Por otro lado, las fuentes de energía con salida de CA se conectan al bus de CC a través de un convertidor de CA/CC.

Microrred híbrida

La microrred híbrida tiene una topología para la salida de corriente alterna y corriente continua de la fuente de alimentación. Además, los buses de corriente alterna y corriente continua están conectados entre sí a través de un convertidor bidireccional, lo que permite que la energía fluya en ambas direcciones entre los dos buses.

Componentes básicos en microrredes

The Solar Settlement , un proyecto comunitario de vivienda sostenible en Friburgo , Alemania.

Generación local

Una microrred presenta varios tipos de fuentes de generación que suministran electricidad, calefacción y refrigeración al usuario. Estas fuentes se dividen en dos grupos principales: fuentes de energía térmica (por ejemplo, generadores de gas natural o biogás o microgeneradores combinados de calor y electricidad ) y fuentes de generación renovables (por ejemplo, turbinas eólicas y solares). [ cita requerida ]

Consumo

En una microrred, el consumo se refiere simplemente a los elementos que consumen electricidad, calor y refrigeración, que van desde dispositivos individuales hasta los sistemas de iluminación y calefacción de edificios, centros comerciales, etc. En el caso de cargas controlables, el consumo eléctrico se puede modificar de acuerdo con las demandas de la red. [ cita requerida ]

Almacenamiento de energía

En una microrred, el almacenamiento de energía cumple múltiples funciones, como garantizar la calidad de la energía, regular la frecuencia y el voltaje, suavizar la salida de fuentes de energía renovables, proporcionar energía de respaldo para el sistema y desempeñar un papel crucial en la optimización de costos. El almacenamiento de energía se puede lograr mediante una combinación de tecnologías de almacenamiento químico, eléctrico, de presión, gravitacional, de volante de inercia y de calor. Cuando hay varios dispositivos de almacenamiento de energía con diversas capacidades disponibles en una microrred, se prefiere coordinar su carga y descarga de manera que un dispositivo de almacenamiento de energía más pequeño no se descargue más rápido que aquellos con capacidades mayores. Asimismo, se prefiere que un dispositivo de almacenamiento más pequeño no se cargue completamente antes que aquellos con capacidades mayores. Esto se puede lograr bajo un control coordinado de los dispositivos de almacenamiento de energía en función de su estado de carga. [38] Si se utilizan múltiples sistemas de almacenamiento de energía (posiblemente trabajando en diferentes tecnologías) y están controlados por una unidad de supervisión única (un sistema de gestión de energía - EMS), un control jerárquico basado en una arquitectura maestro/esclavo puede garantizar las mejores operaciones, particularmente en el modo isla. [35]

Punto de acoplamiento común (PCC)

Este es el punto del circuito eléctrico donde una microrred se conecta a una red principal. [39] Las microrredes que no tienen un PCC se denominan microrredes aisladas y suelen estar presentes en sitios remotos (por ejemplo, comunidades remotas o sitios industriales remotos) donde una interconexión con la red principal no es factible debido a limitaciones técnicas o económicas. [ cita requerida ]

Ventajas y desafíos de las microrredes

Ventajas

Una microrred puede funcionar en modo conectado a la red y en modo autónomo, y gestionar la transición entre ambos. En el modo conectado a la red, se pueden proporcionar servicios auxiliares mediante la actividad comercial entre la microrred y la red principal. Existen otras posibles fuentes de ingresos. [40] En el modo aislado, la energía real y reactiva generada dentro de la microrred, incluida la proporcionada por el sistema de almacenamiento de energía, debe estar en equilibrio con la demanda de las cargas locales. Las microrredes ofrecen una opción para equilibrar la necesidad de reducir las emisiones de carbono con la continuidad del suministro de energía eléctrica fiable en períodos de tiempo en los que no se dispone de fuentes de energía renovables. Las microrredes también ofrecen la seguridad de estar protegidas de las inclemencias del tiempo y los desastres naturales al no tener grandes activos y kilómetros de cables sobre el suelo y otra infraestructura eléctrica que deban mantenerse o repararse después de tales eventos. [41] [42]

Una microrred puede realizar la transición entre estos dos modos debido a un mantenimiento programado, una calidad de energía degradada o una escasez en la red anfitriona, fallas en la red local o por razones económicas. [42] [43] Mediante la modificación del flujo de energía a través de los componentes de la microrred, las microrredes facilitan la integración de energía renovable, como la generación fotovoltaica, eólica y de celdas de combustible, sin requerir un rediseño del sistema de distribución nacional. [43] [44] [45] También se pueden incorporar métodos de optimización modernos al sistema de gestión de energía de la microrred para mejorar la eficiencia, la economía y la resiliencia. [41] [46] [45] [47]

Desafíos

Las microrredes y, en general, la integración de unidades de recursos energéticos distribuidos (DER) plantean una serie de desafíos operativos que deben abordarse en el diseño de los sistemas de control y protección, a fin de garantizar que los niveles actuales de confiabilidad no se vean afectados significativamente y que se aprovechen al máximo los beneficios potenciales de las unidades de generación distribuida (GD). Algunos de estos desafíos surgen de suposiciones que se aplican normalmente a los sistemas de distribución convencionales y que ya no son válidas, mientras que otros son el resultado de problemas de estabilidad que antes solo se observaban a nivel del sistema de transmisión. [42] Los desafíos más relevantes en la protección y el control de las microrredes incluyen:

Herramientas de modelado

Para planificar e instalar microrredes correctamente, se necesita modelado de ingeniería. Existen múltiples herramientas de simulación y optimización para modelar los efectos económicos y eléctricos de las microrredes. Una herramienta de optimización económica ampliamente utilizada es el Modelo de adopción de clientes de recursos energéticos distribuidos (DER-CAM) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Otra herramienta gratuita es Solar Alone Multi-objective Advisor (SAMA), un programa de software de optimización de microrredes de código abierto diseñado para optimizar económicamente los tamaños de los sistemas de energía híbridos (alimentados principalmente con sistemas solares fotovoltaicos ) utilizando algoritmos metaheurísticos basados ​​en perfiles de carga específicos y datos meteorológicos . [52] [53] Otro es HOMER (Modelo de optimización híbrida para múltiples recursos energéticos), desarrollado originalmente por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable . También existen algunas herramientas de diseño eléctrico y de flujo de energía que guían a los desarrolladores de microrredes. El Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste diseñó la herramienta GridLAB-D disponible públicamente y el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) diseñó OpenDSS. EnergyPLAN, de la Universidad de Aalborg (Dinamarca), es una herramienta europea que se puede utilizar para simular la demanda de electricidad, refrigeración, calefacción y calor de proceso . La herramienta de planificación de red de código abierto OnSSET se ha implementado para investigar microrredes utilizando un análisis de tres niveles que comienza con arquetipos de asentamiento (el caso estudiado fue Bolivia ). [54]

Control de microrredes

Control jerárquico

En lo que respecta a la arquitectura del control de microrredes, o cualquier problema de control, se pueden identificar dos enfoques diferentes: centralizado [41] [55] y descentralizado [56] . Un control completamente centralizado se basa en una gran cantidad de transmisión de información entre las unidades involucradas antes de que se tome una decisión en un solo punto. La implementación es difícil ya que los sistemas de energía interconectados generalmente cubren ubicaciones geográficas extensas e involucran una enorme cantidad de unidades. Por otro lado, en un control completamente descentralizado, cada unidad es controlada por su controlador local sin conocer la situación de las demás. [57] Se puede lograr un compromiso entre estos dos esquemas de control extremos mediante un esquema de control jerárquico [58] que consta de tres niveles de control: primario, secundario y terciario. [41] [42] [59]

Control primario

El control primario está diseñado para satisfacer los siguientes requisitos:

El control primario proporciona los puntos de ajuste para un controlador inferior, que son los bucles de control de voltaje y corriente de los DER. Estos bucles de control internos se conocen comúnmente como control de nivel cero. [60]

Control secundario

El control secundario tiene típicamente un tiempo de muestreo de segundos a minutos (es decir, más lento que el anterior), lo que justifica la dinámica desacoplada de los lazos de control primario y secundario y facilita sus diseños individuales. El punto de ajuste del control primario lo da el control secundario [61] en el que, como un controlador centralizado, restaura el voltaje y la frecuencia de la microrred y compensa las desviaciones causadas por variaciones de cargas o fuentes renovables. El control secundario también puede diseñarse para satisfacer los requisitos de calidad de energía , por ejemplo, el equilibrio de voltaje en buses críticos. [60]

Control terciario

El control terciario es el último (y el más lento) nivel de control, que considera las preocupaciones económicas en el funcionamiento óptimo de la microrred (el tiempo de muestreo es de minutos a horas), y gestiona el flujo de energía entre la microrred y la red principal. [60] Este nivel a menudo implica la predicción del clima, la tarifa de la red y las cargas en las próximas horas o días para diseñar un plan de despacho del generador que logre ahorros económicos. [45] Las técnicas más avanzadas también pueden proporcionar un control de extremo a extremo de una microrred utilizando técnicas de aprendizaje automático como el aprendizaje de refuerzo profundo . [62]

En caso de emergencias como apagones, el control terciario puede gestionar un grupo de microrredes interconectadas para formar lo que se denomina "agrupamiento de microrredes", actuando como una planta de energía virtual para continuar suministrando cargas críticas. Durante estas situaciones, el controlador central debe seleccionar una de las microrredes para que sea la de slack (es decir, maestra) y el resto como buses de carga y fotovoltaica de acuerdo con un algoritmo predefinido y las condiciones existentes del sistema (es decir, demanda y generación). En este caso, el control debe ser en tiempo real o al menos a una alta tasa de muestreo. [48]

IEEE 2030.7

Un marco de control menos influenciado por la empresa de servicios públicos es el del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos , el IEEE 2030.7. [63] El concepto se basa en 4 bloques: a) Control a nivel de dispositivo (por ejemplo, control de voltaje y frecuencia), b) Control de área local (por ejemplo, comunicación de datos), c) Control de supervisión (software) (por ejemplo, optimización de despacho con visión de futuro de recursos de generación y carga), y d) Capas de red (por ejemplo, comunicación con la empresa de servicios públicos). [ cita requerida ]

Control elemental

Existe una amplia variedad de algoritmos de control complejos, lo que dificulta que las pequeñas microrredes y los usuarios residenciales de recursos energéticos distribuidos (DER) implementen sistemas de control y gestión de energía. Las actualizaciones de las comunicaciones y los sistemas de información de datos pueden ser costosos. Algunos proyectos intentan simplificar y reducir el gasto de control a través de productos listos para usar (por ejemplo, utilizando una Raspberry Pi). [64] [65]

Ejemplos

Hajjah y Lahj, Yemen

El proyecto del PNUD “Mejora de la resiliencia rural en Yemen” (ERRY, por sus siglas en inglés) utiliza microrredes solares de propiedad comunitaria. Reduce los costos de energía a solo 2 centavos por hora (mientras que la electricidad generada con diésel cuesta 42 centavos por hora). Ganó el Premio Ashden a la Energía Humanitaria en 2020. [66]

Isla de Yeu

En la primavera de 2020 se inició un programa piloto de dos años, llamado Harmon'Yeu, para interconectar 23 casas en el barrio de Ker Pissot y sus alrededores con una microrred que se automatizó como una red inteligente con software de Engie . Se instalaron sesenta y cuatro paneles solares con una capacidad máxima de 23,7 kW en cinco casas y una batería con una capacidad de almacenamiento de 15 kWh en una casa. Seis casas almacenan el exceso de energía solar en sus calentadores de agua. Un sistema dinámico distribuye la energía proporcionada por los paneles solares y almacenada en la batería y los calentadores de agua al sistema de 23 casas. El software de la red inteligente actualiza dinámicamente la oferta y la demanda de energía en intervalos de 5 minutos, decidiendo si extraer energía de la batería o de los paneles y cuándo almacenarla en los calentadores de agua. Este programa piloto fue el primer proyecto de este tipo en Francia. [67] [68]

Los ingleses, Haití

Se está implementando una microrred administrada de forma inalámbrica en la zona rural de Les Anglais , Haití. [69] El sistema consta de una arquitectura de tres niveles con un servicio de control y monitoreo basado en la nube, una infraestructura de puerta de enlace integrada local y una red en malla de medidores inteligentes inalámbricos implementados en más de 500 edificios. [31]

Las pérdidas no técnicas (NTL) representan un desafío importante a la hora de proporcionar un servicio eléctrico confiable en los países en desarrollo, donde a menudo representan entre el 11 y el 15 % de la capacidad total de generación. [70] Una extensa simulación basada en datos de setenta y dos días de datos de medidores inalámbricos de una microrred de 430 hogares implementada en Les Anglais investigó cómo distinguir las NTL de las pérdidas totales de energía, lo que ayuda a detectar el robo de energía. [71]

Mpeketoni, Kenia

El Proyecto de Electricidad de Mpeketoni, un sistema de microrredes alimentado con diésel basado en la comunidad, se instaló en la zona rural de Kenia, cerca de Mpeketoni. Gracias a la instalación de estas microrredes, Mpeketoni ha experimentado un gran crecimiento de su infraestructura. Este crecimiento incluye un aumento de la productividad por trabajador, en valores de entre el 100% y el 200%, y un aumento del nivel de ingresos de entre el 20% y el 70%, según el producto. [72]

Bodega Stone Edge Farm

Una bodega con microturbina, celdas de combustible, baterías múltiples, electrolizador de hidrógeno y energía fotovoltaica en Sonoma, California. [73] [74]

Véase también

Referencias

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