La Energía Eólica y su impacto en las Redes Eléctricas

¿Qué tan eficiente es la Energía Eólica? ¿Cuál es el impacto de los parques eólicos de gran escala interconectados a las redes eléctricas?

Hoy en día se considera que la Energía Eólica es una fuente de energía eficiente en términos de costos, de impacto medioambiental y de retorno de la inversión. Ya que por lo general el retorno de la inversión ronda entre 3 y 5 años dependiendo de la robustez del parque eólico.

Sin embargo, la producción de potencia eléctrica mediante aerogeneradores depende de la interacción entre las palas del rotor y del viento, transformando primero la energía cinética de este en energía mecánica de rotación, y después transformando esta última en energía eléctrica. Por lo que las principales desventajas de las fuentes eólicas son la variabilidad y la aleatoriedad del viento que incide en los aerogeneradores.

Aerogenerador, Energía Eolica
Imagen Referencial de un Parque Eólico

Ventajas de la Energía Eólica

Una de las principales ventajas de las instalaciones eólicas es que no tiene emisiones contaminantes y representan un gran ahorro de combustibles fósiles para la matriz energética de los países. Además, hacen una conversión eficiente de la energía eólica en energía eléctrica, con un rendimiento teórico del 59%.

Por otro lado, permite los esquemas de generación distribuida con bajos costos de mantenimiento y de servicio, ya que no hay costes de abastecimiento de combustible. En adición a esto, los aerogeneradores son de fácil desmantelamiento al final de su vida útil, que ronda entre los 20 a 25 años.

Tipos de Aerogeneradores Según su Sistema de Regulación

Los aerogeneradores tienen diferentes tecnologías dependiendo de la marca y del año de fabricación. Generalmente existen 3 tipos de aerogeneradores según su sistema de regulación y control del par aerodinámico que actúa sobre el rotor, así como del par electromagnético que actúa sobre el generador y el posible par aplicado al eje por los frenos mecánicos.

En este sentido, cuando los vientos son inferiores a la velocidad nominal del rotor, los sistemas de regulación y control actúan para maximizar el par aerodinámico, y con eso maximizan la potencia extraída. Por otro lado, cuando los vientos son superiores a la velocidad nominal del rotor, los sistemas de control modulan el par aerodinámico para mantener la velocidad de rotación dentro de los límites aceptables, y con eso lograr estabilizar la potencia extraída manteniéndola próxima al valor nominal.

Aerogeneradores con Velocidad de Rotación Fija

Los aerogeneradores con velocidad de rotación fija fueron los primeros en fabricarse. Su rotor gira a una velocidad prácticamente fija independientemente de la velocidad del viento incidente. Esto es debido a que la velocidad del rotor es establecida por la frecuencia de la red, la relación del multiplicador y el número de polos del generador eléctrico.

En términos de control, el par del generador varía en función del par aerodinámico. Y la única manera de controlar el par del generador, y la potencia de salida, es actuar regulando el propio par aerodinámico.

La desventaja de este tipo de aerogenerador es que cada fluctuación de la velocidad del viento produce una fluctuación del par mecánico, que a su vez produce una fluctuación de la potencia inyectada a la red. Que, si la red eléctrica en el punto de interconexión es débil, causará fluctuación de la tensión con efectos negativos para los usuarios conectados.

Aerogeneradores de Velocidad de Rotación Variable

Los aerogeneradores con velocidad de rotación variable son aquellos en los que el par del generador puede variarse independientemente del par aerodinámico. Por lo que la velocidad de rotación del rotor puede ser controlada actuando tanto sobre el par aerodinámico, como sobre el par del generador, con el objetivo de acelerar o desacelerar el rotor.

En este tipo de aerogeneradores, los sistemas de velocidad variable mantienen constante el par electromecánico y la variación de la velocidad del rotor absorbe las fluctuaciones de velocidad del viento. Por lo tanto, su sistema eléctrico interno es más complejo que el de los sistemas de velocidad fija y suelen equiparse con generadores síncronos o asíncronos conectados a la red mediante un convertidor de potencia que controla la velocidad del rotor.

La ventaja de estos sistemas de velocidad variable para generación de energía eólica es que se incrementa la potencia extraída del viento como resultado de una mejor eficiencia. A demás, mejora la calidad de la potencia entregada a la red eléctrica gracias a la amortiguación de las fluctuaciones del viento.

Principales Tipos de Control de Aerogeneradores

En pocas palabras, los aerogeneradores deben estar equipados con sistemas de control que permitan maximizar la producción de energía manteniendo el funcionamiento de los componentes del aerogenerador dentro de los límites de velocidad y de carga. Es decir, inyectar potencia de calidad aceptable a la red, garantizando el funcionamiento seguro del aerogenerador.

Esquema Control Aerogenerador. Energía Eólica
Imagen Referencial: Esquema de Control del Aerogenerador. Fuente: ABB Plantas Eólicas.

Control del Par del Generador / Regulación de Pérdida

El control del par del generador se logra a través de un convertidor electrónico de potencia que regula la fase y la frecuencia de las corrientes que circulan por los bobinados del generador.

Control del Par Aerodinámico / Regulación del Ángulo de Paso

El control del par aerodinámico actúa sobre la geometría del rotor, regulando el ángulo de paso de toda la extensión de la pala o cambiando la geometría solamente en una parte.

Es decir, el ángulo de paso de la pala del aerogenerador puede regularse tanto para disminuir como para incrementar el ángulo de ataque hacia la pérdida aerodinámica.

Sistemas de Protección y Seccionamiento

Tenemos claro que los sistemas de control constituyen el “cerebro del aerogenerador” y proporcionan la lógica de control para regular los procedimientos de arranque y parada de la turbina. Sin embargo, su principal objetivo es proteger al rotor del aerogenerador contra velocidades excesivas.

Adicionalmente, se debe equipar todo el sistema interno de los aerogeneradores con equipos de protección contra sobreintensidades y sobretensiones generados por la incidencia de descargas atmosféricas.

Usualmente, la lógica de control se programa en un PLC, logrando que los sistemas de protección y seccionamiento desconecten el aerogenerador de la red en caso de funcionamiento anómalo. Esto permite que los demás aerogeneradores del parque de generación de energía eólica sigan funcionando correctamente.

Esquema Seccionamiento Aerogenerador
Imagen Referencial: Esquema de Seccionamiento de un Aerogenerador. Fuente: ABB Plantas Eólicas.

Efectos de la Energía Eólica sobre la Red Eléctrica

En términos generales, las redes eléctricas de cualquier país o región suelen estar sometidas a variaciones en la frecuencia de la tensión ocasionadas por desviaciones entre la potencia generada y la potencia absorbida. Que, a su vez, debido a la impedancia de las líneas de transmisión y distribución de la red, causan una variación de la tensión con respecto al valor nominal.

Del mismo modo, la red eléctrica se ve afectada por la conexión de parques de generación de energía eólica en función de su potencia nominal y del nivel de fallo del sistema en el punto de interconexión.

Fuentes de Energía Tradicionales

Antes de entender los efectos de la energía eólica sobre la red eléctrica, es importante que recordemos las ventajas técnicas de las fuentes de energía tradicionales.

Las fuentes de energía tradicionales consisten en grandes generadores síncronos instalados en centrales eléctricas de gran potencia alimentadas por recursos derivados del petróleo o hidráulicos.

Planta Hidroeléctrica. LeiryChinchilla.com
Imagen Referencial de Central Hidroeléctrica. Fuente: Russ McElroy.

Estos generadores tienen la capacidad de responder ante las variaciones de carga manteniendo constante la frecuencia de la red y ajustando la tensión de alimentación. A su vez, cada generador está sincronizado con todos los demás generadores de la red, con el objetivo de garantizar la estabilidad de los parámetros eléctricos ante cualquier variación de carga o turbulencia.

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En pocas palabras, cuanto mayor sea la potencia inyectada por una central de generación tradicional, mayor será su capacidad de influir en la estabilidad de la frecuencia y voltaje de la red.

Calidad de Potencia Entregada a la Red por los Parques Eólicos

Los aerogeneradores no tienen la misma capacidad de responder ante variaciones de carga en la red en la que están conectados. Por el contrario, la inyección de potencia eléctrica de los parques eólicos de gran escala puede influir negativamente en la calidad de la tensión de la red. Por esa razón, se ha establecido la norma IEC 61400-21 para determinar las características de calidad de potencia de los aerogeneradores en función de la variación de la tensión, parpadeo, armónicos, transitorios, frecuencia, y paradas.

En este sentido, se tiene que los principales efectos que ejercen los parques eólicos de gran escala sobre la red eléctrica son los siguientes:

  • Variaciones de voltaje, causadas por las variaciones en la potencia producida por el aerogenerador.
  • Fluctuaciones de tensión y parpadeo, causadas por maniobras, efecto sombra de la torre, error de ángulo de paso de las palas, error de orientación o variación repentina del viento.
  • Armónicos, causados por los inversores y por los rectificadores.
  • Consumo de potencia reactiva, causado por los componentes inductivos o generadores asíncronos. Deben ser compensados por bancos de capacitores.
  • Picos o caídas de tensión, causado por maniobras.

Sin embargo, cada uno de estos efectos es mayor o menor dependiendo del tipo de aerogenerador, del avance de la tecnología de los controladores internos con la que se fabricó, y de la robustez de la red eléctrica en el punto de interconexión del parque eólico.

Red Eléctrica con Energía Eólica
Imagen Referencial de la Interconexión de la Energía Eólica en la Red. Fuente: ABB Plantas Eólicas.

Estabilidad de la Frecuencia en Redes con Energía Eólica

Como se ha mencionado anteriormente, la frecuencia es un indicador del equilibrio o desequilibrio entre la potencia activa generada y absorbida en una red eléctrica. Esto incluye las pérdidas de transmisión y distribución.

Bajo condiciones de funcionamiento normal de la red, la frecuencia debería estar muy próxima al valor nominal. Dependiendo de las regulaciones de cada país, el promedio de variación que se suele permitir es de más o menos 0,1Hz.

Sin embargo, si una central de generación eléctrica sale de servicio, o si ocurre un aumento de carga, se produce un desequilibrio entre generación y consumo. En este caso se debe recurrir a los controles primarios y secundarios de la frecuencia de la red para estabilizar el sistema eléctrico. En estos casos, los parques eólicos no siempre aportan estabilidad al sistema, sino que a veces adicionan más desequilibrio a la red por las fluctuaciones del viento.

Reservas de Regulación Primaria

Las reservas de regulación primaria consisten en algunas centrales de generación tradicional, conectadas a la red, que están equipadas con controladores de frecuencia. Es decir, estas generadoras incrementan su producción en un intervalo de tiempo de 1 a 30 segundos hasta restablecer el equilibrio de la potencia total consumida y estabilizar el valor de la frecuencia.

Reservas de Regulación Secundaria

Usualmente, las reservas de regulación secundarias son aquellas centrales de generación de rápida puesta en marcha. Como lo son las turbinas de gas, o las plantas hidroeléctricas. Y se activan cuando la frecuencia de la red es demasiado baja.

En otras palabras, las reservas de regulación secundaria tienen controladores que ejecutan un incremento o reducción gradual de la producción total durante un tiempo entre 10 y 60 minutos. Estos controles tienen el objetivo de hacer retornar la frecuencia a su valor nominal y liberar las reservas de regulación primaria.

La Naturaleza Intermitente de la Energía Eólica

Generadores Eólicos. LeiryChinchilla.com

La naturaleza intermitente de la energía eólica tiene consecuencias sobre la fiabilidad del sistema eléctrico. Dado que, por regulaciones nacionales e internacionales, los sistemas eléctricos deben proporcionar la potencia demandada por las cargas conectadas a la red con una baja probabilidad de falla.

Esto implica que, para mantener la fiabilidad del sistema eléctrico, los parques eólicos deben ser capaces de asumir parte de la capacidad de producción convencional, más que todo durante los picos de carga.

Sin embargo, una gran cantidad de potencia eólica intermitente puede disminuir la eficiencia de la generación convencional al hacer que las centrales tradicionales funcionen fuera de sus puntos óptimos al tratar de regular constantemente el impacto de esa intermitencia. Es por esto que, en algunos casos, es preferible desconectar los aerogeneradores mientras se gestionan los controles de estabilidad de la red.

Conclusiones acerca de la Energía Eólica

Cada año se hacen avances tecnológicos más eficaces para contrarrestar los efectos negativos de los parques eólicos de gran escala que son interconectados a las redes eléctricas. Sin embargo, no debemos minorizar los efectos de la energía eólica que hoy en día están afectando a los sistemas eléctricos interconectados. Es de vital importancia que se reconozcan estos problemas a tiempo, para poder planificar efectivamente cuáles serán las reservas primarias y secundarias de generación convencional que van a garantizar la estabilidad del sistema frente a turbulencias, perturbaciones o aumentos excesivos de cargas.

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Referencias Bibliográficas

ABB Plantas Eólicas. Soluciones de energía eólica | ABB

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