Microrredes: un viejo concepto con esteroides
Antecedentes
Las microrredes están conquistando el terreno en diferentes partes del mundo a medida que pasan los años. En Estados Unidos, uno de los principales impulsores del concepto de microrredes fue el huracán Sandy. Este huracán, que azotó el noreste de Estados Unidos en 2012, causó estragos en el sistema de transmisión y distribución. Las ventajas que presentan las redes más pequeñas y autosustentables se volvieron muy atractivas y hubo un interés mucho mayor por esas pequeñas redes.
Sin embargo, la microrred no es un concepto nuevo. Si miramos por el retrovisor, nos encontramos con que el concepto original de microrred se remonta al siglo XIX. En 1882, Thomas Edison construyó la primera central eléctrica comercial de corriente continua (CC). Esta central, que recibió el nombre de estación Manhattan Pearl Street, formaba parte de una pequeña red que daba servicio a 82 clientes con un área de distribución de unas pocas cuadras. Esta planta también servía como fuente combinada de calor y electricidad, abasteciendo de ambos a los clientes. Además, las baterías de esta planta sirvieron para almacenar energía. Esta distribución era un sistema autónomo sin presencia de red externa. Con el paso de los años, la corriente alterna (CA) empezó a ganar la carrera a la CC (corriente continua) y comenzó a tomar forma la red eléctrica tal y como la conocemos hoy. El sector energético comenzó a expandirse y finalmente evolucionó hacia grandes empresas de servicios públicos que generaban, transmitían y distribuían potencia eléctrica. El resultado fue una enorme malla de redes interconectadas que abarcaba todos los Estados Unidos. Una evolución similar tuvo lugar en Europa, seguida por Asia y otras partes del mundo.
El siguiente gran paso en el sector de la energía eléctrica en Estados Unidos se produjo en 1978. En ese año se promulgó una ley llamada Acta de Políticas de Regulación de los Servicios Públicos (PURPA, por su sigla en inglés). Esta acta tuvo su origen en la crisis energética de los años 70. La intención de PURPA era fomentar la cogeneración y las fuentes renovables que promovieran la competencia y la conservación. Esto provocó que varias plantas industriales instalaran generación con turbinas de vapor/gas. Los generadores locales proporcionaban tanto potencia eléctrica como vapor que la planta podía utilizar. Los generadores funcionaban en paralelo con la red. La planta podría vender el exceso de energía a la empresa de servicios públicos anfitriona. En caso de pérdida de la red de servicios públicos, los generadores abastecían la carga de la planta local. Algunas centrales abastecían la carga local y solo en caso de pérdida del generador local, la empresa de servicios públicos anfitriona comenzaba a suministrar energía a la central de forma ininterrumpida. En condiciones de bajo voltaje en la red, el generador local suministraba potencia reactiva para estabilizar el voltaje de la red.
Más tarde, varios productores de energía independientes empezaron a construir plantas de energía para vender energía a las empresas de servicios públicos de electricidad. La PURPA tenía una cláusula que obligaba a la empresa de servicios públicos anfitriona a comprar energía a estas entidades a precios razonables. En varios casos, las empresas de servicios públicos anfitrionas ofrecían tarifas atractivas si los propietarios de las centrales aceptaban apoyar la estabilización de la red suministrando MW y MVAR.
Diferencias y similitudes entre los antiguos conceptos de cogeneración y las nuevas microrredes
La generación local en la planta junto con la distribución de la planta era, en realidad, una microrred. El generador suministraba la carga local y la planta tenía la opción de pasar la carga a la red. Esto resulta muy familiar con lo que vemos hoy en día con las microrredes.
La generación propia también se instaló en parques, centros penitenciarios, grandes centros de telecomunicaciones, etc. y lo mismo ocurre con las microrredes de hoy en día.
Las microrredes están compuestas por una mezcla diversa de generación distribuida, como turbinas eólicas, paneles solares, celdas de combustible y biomasa. Si todas estas fuentes se apoyan en un almacenamiento con baterías, se podrá disponer de energía las 24 horas del día. Las microrredes tienen dos ventajas: el costo decreciente de las baterías de Ion Litio y la creciente asequibilidad de las energías renovables.
Hay algunas diferencias entre lo que hoy vemos en las microrredes y las antiguas instalaciones de cogeneración:
- La generación en plantas industriales, instalaciones comerciales, parques y cárceles está compuesta por uno o varios generadores situados en una misma ubicación. Este no es el caso de las microrredes: la generación está dispersa.
- Los generadores convencionales no crean armónicos, mientras que las microrredes sí. El problema de los armónicos se resuelve aplicando un filtrado adecuado.
- La corriente de cortocircuito proporcionada por los generadores en las instalaciones de cogeneración es adecuada para adaptar relés eficaces, tanto en buses de medio como de bajo voltaje. Las fuentes renovables no proporcionan corrientes de cortocircuito adecuadas.
- Las microrredes no poseen la inercia adecuada para mantener la estabilidad del sistema.
- En las microrredes, la mayor parte de la generación es de origen renovable, aunque también pueden contener una fuente convencional.
- Las microrredes con fuentes renovables son respetuosas del medio ambiente y proporcionan energía limpia.
- En el caso de las microrredes, la carga no es necesariamente una planta o instalación concentrada. La carga puede componerse de una mezcla de cargas, como viviendas, escuelas y un hospital, repartidas en una zona específica.
Por lo tanto, podemos ver que las microrredes de hoy en día tienen varias similitudes con algunas excepciones. Los avances realizados en el ámbito de la automatización, comunicación y digitalización hacen que la microrred se diferencie bastante de las antiguas instalaciones de cogeneración.
Problemas con las nuevas microrredes y posibles soluciones
No cabe duda de que las microrredes proporcionan una serie de beneficios. Sin embargo, las microrredes presentan algunos problemas y desafíos, que la industria está abordando.
Los problemas y las posibles soluciones son los siguientes:
- En situaciones en las que la microrred funciona en modo aislado sin un generador síncrono presente, el arranque de grandes motores será difícil.
- La coordinación entre los dispositivos de protección basados en relés de sobrecorriente simple es difícil, debido a la inadecuada corriente de cortocircuito presente tanto en términos de magnitud como de duración. Esto también será cierto para la coordinación entre 480/277V.
- Será necesario instalar relés diferenciales para los transformadores y las líneas, en distintas ubicaciones, para proporcionar un sistema coordinado que cuente con el nivel de selectividad necesario.
- Los esquemas de protección requerirán un relé adaptativo acoplado a un enlace de comunicación entre varios dispositivos de protección.
- Será útil la aplicación de dispositivos de protección que cumplan la norma IEC 61850. Esto significa implementar una protección basada en mensajería GOOSE, que proporciona una buena opción.
- Los dispositivos de 480V que incluyen interruptores de caja moldeada e interruptores con unidades de disparo de estado sólido. En la norma IEC 61850 no se contemplan formalmente los dispositivos de 480 V. Sin embargo, los fabricantes han ideado medios para incorporar estos dispositivos a los esquemas basados en la norma IEC 61850.
- Uno de los factores que impulsaron las microrredes fue el hecho de que durante las tormentas, al perderse la red principal, las microrredes pueden seguir suministrando energía a las cargas asignadas. Sin embargo, esto puede no ser válido si el área de cobertura de la microrred incluye líneas de distribución aéreas. La distribución subterránea ayudará a aliviar este problema.
- Se está investigando mucho en el ámbito de la mejora de los convertidores aplicados a la generación renovable. Se está abordando la cuestión de la inercia y la falta de un cortocircuito adecuado, tanto desde el punto de vista de la magnitud como de la duración.
Más información:
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