Una red inteligente es un grupo de redes que se encargan de vincular a las diferentes Plantas de Generación de Energía con los Consumidores y con el Sistema Eléctrico, con el propósito de optimizar la Transmisión y Distribución de la Energía Eléctrica. Esto se logra a través de conectividad, automatización y coordinaciones automáticas.

Objetivos de las Redes Inteligentes

Las redes inteligentes tienen muchos objetivos con mayor o menor beneficio dependiendo de las necesidades del Sistema Eléctrico en donde se implementan. En términos generales, los objetivos de las redes inteligentes se resumen en:

• Mejorar el mercado energético y las capacidades de gestión de la demanda.

• Mejorar la fiabilidad y la calidad del suministro.

• Optimizar los costos de funcionamiento y las inversiones.

• Gestionar el aumento de la potencia producida a partir de fuentes renovables y por generación distribuida en la zona.

• Gestionar la introducción de los vehículos eléctricos.

• Integrar los sistemas de almacenamiento de energía.

Cabe destacar que las redes inteligentes deben contar con una arquitectura de comunicación y componentes modernizados para que puedan operar de manera «inteligente» y lograr mayor eficiencia, seguridad y rendimiento.

Funciones y Componentes de las Redes Inteligentes

Las redes inteligentes pueden contar con diferentes componentes dependiendo de los requerimientos y necesidades del Sistema Eléctrico. En algunos casos podría ser suficiente que sólo tenga 3 componentes, mientras que en otros casos podría ser necesario instalar más de 6 componentes para lograr los objetivos deseados.

1. Integración de Fuentes de Energía Renovables Distribuidas

Actualmente, el reto más exigente de las redes eléctricas es integrar un gran porcentaje de energía producida a partir de fuentes renovables sin afectar negativamente la calidad y la seguridad del suministro eléctrico.

La integración de diferentes plantas de generación de energía renovable da lugar a redes de distribución cada vez más complejas en cuanto a flujos de energía bidireccionales, fiabilidad, estabilidad, gestión de la red, capacidad de la propia red, entre otros retos.

Por ejemplo, los flujos de energía debidos a la generación distribuida generan inestabilidad de la tensión. En este caso, el voltaje podría exceder los límites máximos y mínimos con los que la red fue diseñada, y podría provocar la sobrecarga de componentes importantes como cables, líneas aéreas y transformadores.

Por lo tanto, para lograr una integración efectiva y optimizada de las fuentes renovables distribuidas, se recomiendan las siguientes soluciones:

• Cambiar progresivamente las redes radiales a redes de malla que sí sean capaces de distribuir los flujos de potencia sin sobrecargarse. Para lograr esto, puede ser necesario aumentar el número de subestaciones eléctricas en la red.
• Incorporar Sistemas de Gestión de Energía de Distribución (DEMS: Distribution Energy Management Systems).
• Introducir Sistemas de Almacenamiento de Energía distribuidos en la red eléctrica.
• Instalar las cargas de forma planificada y equilibrada, como las estaciones de cargas de vehículos, con el fin de controlar y reducir los flujos de potencia.
• Controlar directamente la energía inyectada a la red por fuentes renovables.
• Sustituir los componentes pasivos por componentes activos, por ejemplo, los transformadores de distribución con reguladores automáticos de tensión.

Adicionalmente, el uso de la tecnología de la información y los sistemas modernos de comunicación contribuyen a la solución del problema mediante la descentralización de la inteligencia y la implementación de los algoritmos apropiados.

2. Automatización de la Distribución

La automatización de los sistemas de distribución de energía (DA: Distribution Automation) tiene el objetivo de mejorar la calidad y la fiabilidad de la red de media y baja tensión. Usualmente, está centrada en las subestaciones de distribución primaria y secundaria a través de los IED (Dispositivos Electrónicos Inteligentes), como relés de protecciones, controladores de bahía, entre otros. Esto permite detectar y eliminar automáticamente los fallos y restablecer el suministro eléctrico de forma automática en situaciones especialmente críticas.

Específicamente, la automatización de la distribución se encarga de lo siguiente:

• Monitorización en tiempo real de los dispositivos instalados en la red y de todos los sensores capaces de mejorar el control de la red.
• Uso y control de componentes activos capaces de hacer frente automáticamente a determinadas situaciones, como los transformadores con reguladores automáticos de tensión.
• Comunicación bidireccional entre los IED y la sala de control.
• Integración de los dispositivos en el sistema de información de la empresa de servicios públicos para gestionar el mantenimiento, las reparaciones de emergencia en caso de averías, la mejora de la gestión de los clientes, entre otros.
• Gestión de recursos distribuidos, generadores y cargas.

3. Infraestructura de Medición Avanzada

El objetivo de la infraestructura de medición avanzada (AMI: Advanced Metering Infrastructure) es lograr una gestión dinámica de los contratos de los usuarios y adoptar tarifas multihorario más complejas pero más ventajosas.

El uso de medidores inteligentes y el sistema de comunicación relativo (telemedición) trae los siguientes beneficios:

• Adquisición de datos de consumo eléctrico con el fin de fijar precios y gestionar contratos personalizados para usuarios especiales. Por ejemplo, se podría registrar el diagrama de carga de clientes importantes con el fin de proponer mejores condiciones.
• Ciertos usuarios podrían ser desconectados de la red si estuviera sobrecargada o en caso de impago.
• Se podrían integrar diferentes servicios como el agua, el gas, entre otros.
• Mejora de la supervisión para evitar el robo de la electricidad y el fraude.
• Intervención automática en caso de contadores defectuosos.

4. Almacenamiento de Energía

Los sistemas de almacenamiento de energía se utilizan principalmente en instalaciones de energía solar fotovoltaica y eólica debido a su naturaleza extremadamente variable y el consiguiente desequilibrio entre la generación de energía y el consumo que podría producirse repentinamente en la red. Los sistemas de almacenamiento son soluciones capaces de equilibrar los picos de potencia positivos y negativos para reducir los costes de funcionamiento y optimizar la pérdida de carga.

Los beneficios de integrar sistemas de almacenamiento de energía en la red eléctrica son los siguientes:

• Al actuar como generadores, pueden contribuir a la estabilidad de la tensión y la frecuencia de la red.
• Pueden minimizar los flujos de energía, reduciendo las inversiones necesarias para fortalecer la red.
• Permiten la gestión en isla de determinadas zonas temporalmente aisladas de la red.
• Nivelan los picos de consumo.
• Mejoran la seguridad del suministro en general y se convierten en una reserva de energía para industrias, edificios e infraestructuras.

5. Microrredes (Microgrids)

Una microrred es un Sistema Eléctrico que puede funcionar en «modo isla», es decir, que tiene sus propias plantas de generación que cubren la totalidad de la demanda de sus consumidores. Además, tiene su propio sistema de distribución de energía equipado con monitorización y comunicación.

Generalmente, las microrredes se utilizan para equipar islas y zonas rurales situadas lejos de la red principal. Aunque también se utilizan en paralelo a la red principal de la empresa de servicios públicos, y proporcionan los siguientes beneficios:

• Independencia de la red principal de la empresa de servicios públicos, con la capacidad de suministrar energía eléctrica incluso en caso de apagón de la red principal.
• Reducción de los costes energéticos, especialmente en zonas aisladas, debido a la reducción de la necesidad de combustibles fósiles (cuando las fuentes de energías locales son renovables).

Sin embargo, las microrredes tienen riesgos de aumento de inestabilidad de la red, lo que dificulta la coordinación de las protecciones. Por lo que se debe realizar un diseño optimizado con todos los componentes y todas las tecnologías necesarias para mitigar estos problemas.

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6. Sistemas Descentralizados de Gestión de la Energía

La descentralización de la generación de energía eléctrica y la liberalización del mercado de la energía traen numerosos beneficios económicos y ambientales para los consumidores. Sin embargo, se debe tomar en cuenta que la generación distribuida trae dificultades de gestión de energía.

Estas dificultades se pueden solucionar a través de la representación de los recursos distribuidos como Plantas Eléctricas Virtuales (VPP: Virtual Power Plants) para crear una interfaz capaz de detectar las sinergias técnicas y económicas del complejo sistema de generación. Trayendo los siguientes beneficios a las empresas de servicios públicos:

• Podrán generar previsiones de carga más precisas.
• Podrán resolver los fallos de la red de forma más selectiva.
• Podrán vender la energía por adelantado, al precio más conveniente.
• Podrán equilibrar los flujos de potencia.

La creación de un sistema de generación virtual requiere un sistema de despacho computarizado de las fuentes de energía distribuida. También conocido como Sistema de Gestión de Energía Descentralizada (DEMS: Decentralized Energy Management System).

7. Respuesta a la Demanda y Gestión de la Generación

La respuesta a la demanda (DR: Demand Response), consiste en un sistema de incentivos destinados a persuadir a los clientes finales para que modifiquen su consumo de electricidad, basado en precio, disponibilidad, impacto ambiental, entre otros.

Esto permite que las empresas de servicios públicos puedan modificar los picos de consumo, reducir la demanda total de energía, equilibrar la generación y el consumo, evitar sobrecargas de riesgo y garantizar la seguridad del suministro. Adicionalmente, podrán reducir el costo de la energía y ser más competitivos en el mercado energético.

Al mismo tiempo, los usuarios podrán ahorrar en la factura de la luz reduciendo el consumo y obtener mejores tarifas. Para esto, se requiere una infraestructura de medición avanzada (AMI: Advanced Metering Infrastructure) para integrar al cliente final notificando y aplicando tarifas actualizadas en tiempo real que le permita cambiar sus hábitos de consumo en función de su contrato.

En términos generales, la reducción de las demandas máximas de potencia o su distribución a lo largo del día permite a las empresas de servicios públicos limitar sus inversiones en redes eléctricas, al tiempo que mejora la calidad del suministro y la eficiencia del sistema.

8. Electromovilidad (Movilidad Eléctrica)

El consumo energético debido a los sistemas de carga de los vehículos eléctricos está aumentando considerablemente, provocando un gran impacto en la red eléctrica.

El objetivo de las redes inteligentes es soportar estas cargas evitando sobrecargas, inestabilidad en los parámetros de la red y deterioro de la calidad del suministro. En este sentido, las estrategias inteligentes que se pueden adoptar son las siguientes:

• Reducción de la potencia de carga del vehículo si se producen sobrecargas en la red eléctrica, usualmente en las horas pico.
• El uso de tarifas fuera de las horas pico para animar a los usuarios a elegir diferentes franjas horarias.
• La modificación de la potencia de carga del vehículo en función de la disponibilidad de electricidad generada a partir de fuentes renovables.
• La capacidad de comunicación con los vehículos eléctricos podría permitir que la carga se posponga o se realice con antelación, dependiendo de las tarifas.

Conclusión

Las redes inteligentes sirven para satisfacer las necesidades de los consumidores y responder a los cambios y desafíos que se avecinan en la red eléctrica con fuentes renovables. Garantizando la seguridad y la calidad del suministro, en consonancia con el desarrollo de las nuevas tecnologías digitales e informáticas.

→ Artículo Recomendado: ¿Cuáles son los riesgos de los BESS en las Redes Eléctricas?

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Referencias Bibliográficas

ABB. Smart Grids. Technical Paper.

SIEMENS. Power Engineering Guide. Germany.

EATON Smart Grids. Utility & grid solutions

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En este sentido, las soluciones de fuentes de energía solar realmente ayudan en muchos sentidos a diversificar la matriz energética y a disminuir los costos de la electricidad en las empresas de servicio. Pero ¿realmente es una solución netamente óptima? ¿o estamos cambiando unos problemas por otros?

La verdad es que las redes eléctricas son sistemas dinámicos que pueden impactar el funcionamiento de las plantas fotovoltaicas. Así como también, los parques solares pueden afectar negativamente a las condiciones normales de operación de las redes eléctricas afectando la calidad de energía entregada a los clientes.

¿Cuáles son los Problemas de Calidad de Energía en Plantas Fotovoltaicas?

Los principales problemas que traen los parques solares al sistema eléctrico son las siguientes perturbaciones en el punto de interconexión:

• Sobretensión.
• Desbalance.
• Potencia inversa.
• Transitorios.
• Armónicos.

Por lo tanto, es indispensable monitorear estas perturbaciones con el objetivo de tomar acción y mitigar los efectos a mediano y largo plazo.

Análisis de Calidad de Energía en Plantas Fotovoltaicas

La mejor manera de mitigar estos problemas es implementando analizadores o medidores de calidad de energía para examinar constantemente las perturbaciones que los PVs están entregando a la red en el punto de interconexión.

A continuación, indicamos los principales parámetros que deben ser monitoreados por los medidores de calidad de energía.

1. Regulación de Voltaje

El objetivo de monitorear la regulación de voltaje de la planta fotovoltaica es asegurar que no se estén experimentando aumentos de voltaje que puedan provocar fallas prematuras.

Los problemas de sobretensión generalmente ocurren cuando las plantas solares se interconectan a la red en sistemas radiales. Cuando la red eléctrica entrega energía convencional desde el lado de «fuente» suele haber una pequeña caída de voltaje en el lado de «carga» debido a la impedancia de la red radial.

En este caso, cuando se interconecta un sistema fotovoltaico en el lado «carga» de la red radial, su energía fluye hacia el lado «fuente» y como consecuencia puede causar un aumento de voltaje en el lado «carga» que varía dependiendo de la longitud y diámetro de los cables, así como de la cantidad de energía que se retroalimenta a la red.

Este problema se puede corregir a través de la tecnología de los inversores o de ciertos sistemas de control y protección especializados para sistemas fotovoltaicos. De lo contrario, si no se corrige la sobretensión, puede traer como consecuencia la falla prematura de los motores conectados a la red, como los asociados a los aires acondicionados, máquinas de lavado, refrigeradores, entre otros.

2. Cambio Rápido de Voltaje (RVC)

Se debe monitorear si el parque solar está presentando cambios rápidos de voltaje (RVC: Rapid Voltage Change) que pueden generar parpadeo de la luz en los clientes conectados a la red. En este sentido, el RVC es el parámetro indicador de la estabilidad de voltaje entregado a la red.

3. Desbalance

Es recomendable monitorear el posible desbalance de voltaje en el punto de interconexión a la red para poder determinar si la planta solar está creando condiciones de desbalance en la red de distribución que pueda afectar a otros sistemas.

Típicamente, el desbalance ocurre cuando se conectan múltiples sistemas fotovoltaicos a la misma fase de una red radial. De modo que, en sistemas trifásicos, esa fase tendrá un voltaje más alto que las demás fases, ocasionando grandes desequilibrios de corriente.

Por otro lado, se tiene el problema de potencia inversa que ocurre en redes radiales, en que los relés de protección están configurados para que la energía fluya desde el lado «fuente» hacia el lado «carga». En este caso, si se interconecta un sistema fotovoltaico en el lado carga, la energía va a fluir en la dirección contraria en la que inicialmente fue predefinido el flujo normal de energía en esa red radial. Lo que podría ocasionar disparos erróneos de los relés de protecciones si no se toman las previsiones para actualizar la configuración de los relés de la red eléctrica y adaptarlos a los nuevos cambios de flujo de energía.

4. Transitorios

Los transitorios de alta velocidad deben monitorearse para evitar que ocasionen fallas prematuras de los dispositivos electrónicos de los clientes conectados a la red.

Cuando la radiación solar cambia, ya sea por nubes, contaminación o cualquier otra causa, la salida de la planta fotovoltaica cambia casi instantáneamente. De modo que, si el sistema no está equipado con dispositivos que mitiguen este efecto, puede inyectar transitorios de alta frecuencia en la red eléctrica.

5. Armónicos

Los armónicos siempre deben monitorearse, ya que los inversores utilizados en las plantas fotovoltaicas crean armónicos de voltaje y de corriente de muy alta frecuencia, entre el 39 y el 49. De modo que, si se presentan en exceso, pueden provocar el calentamiento de los conductores y, por lo tanto, producir fallas de aislamiento en cables, motores y transformadores.

Cuanto mayor sea la frecuencia del armónico, mayores serán los efectos de calentamiento en los cables, debido al aumento de las corrientes de Foucault que generan un mayor efecto piel.

Conclusión

Efectivamente, las soluciones de fuentes de energía solar traen innumerables beneficios para los sistemas eléctricos nacionales, regionales, comerciales y residenciales. Sin embargo, no se deben descuidar los parámetros de calidad de energía para evitar daños y perturbaciones en cascada tanto en la red eléctrica como en los equipos domésticos de los usuarios conectados. Es primordial implementar medidores de calidad de energía en el punto de interconexión de las plantas solares para garantizar que estén operando dentro de los rangos óptimos de operación.

→ Artículo Recomendado: ¿Cuáles son los riesgos de los BESS en las Redes Eéctricas?

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Fuentes

Megger. A Guide to Power Quality Testing. Norristown, PA 19403 USA, 2018.

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Según la IEA (International Energy Agency) las plantas de energía nuclear que se han instalado desde hace más de 50 años han reducido las emisiones de dióxido de carbono en más de 60 gigatoneladas, lo que equivale a casi dos años de emisiones relacionadas con la generación de energía a escala mundial.

¿Qué ofrece la Energía Nuclear en comparación con la Energía Eólica y Solar?

Las fuentes de energía renovables variables, como la energía solar y la eólica, necesitan energía de reserva durante las intermitencias de la producción, como cuando se oculta el sol o el viento deja de soplar. De lo contrario, estas plantas de generación proveerán fluctuaciones a la red eléctrica en el punto de interconexión, pudiendo ocasionar baja calidad de energía a los consumidores, así como caídas de tensión y variaciones de frecuencia que desestabilizan la red.

En cambio, las plantas de generación de energía nuclear pueden funcionar a plena capacidad ofreciendo un suministro continuo y fiable. Además, tienen la capacidad de responder ante fluctuaciones en la demanda de energía y mantener la inercia de la red eléctrica incluso si hay otras fuentes de energía variables interconectadas a la misma red, como la eólica y la solar.

Debido a los fallos históricos que han ocurrido en algunas plantas de generación de energía nuclear en diferentes países del mundo, se han realizado constantes avances en las tecnologías de los reactores nucleares para hacerlos más eficientes, asequibles, y seguros. Como resultado, hoy en día existen nuevos modelos de reactores más pequeños, flexibles, y transportables, especialmente para regiones remotas de difícil acceso.

¿Cómo Funciona la Energía Nuclear?

La energía nuclear es una forma de energía que se libera desde el núcleo de los átomos mediante un proceso llamado «fisión», en el que los núcleos de los átomos se dividen en varias partes. Sin embargo, existe otro método llamado «fusión» que consiste en fusionar los núcleos de los átomos, pero actualmente este proceso se encuentra bajo investigación y desarrollo, y todavía no es utilizado en las plantas de generación de energía nuclear.

Fisión Nuclear

La fisión nuclear es un proceso de liberación de energía que consiste en la reacción que divide el núcleo de un átomo en dos o más núcleos más pequeños. Por lo general, el material más utilizado para este proceso es el Uranio 235, por ser un metal pesado débilmente radiactivo que se encuentra de forma natural en la corteza terrestre.

En este sentido, cuando un neutrón golpea el núcleo de un átomo de Uranio 235, este se divide en dos núcleos más pequeños, y se liberan dos o tres neutrones que a su vez golpearán otros átomos de Uranio 235 colindantes, que también se dividirán y generarán más neutrones en un efecto multiplicador, desatando una reacción en cadena en una fracción de segundo.

Esta reacción libera energía en forma de calor y radiación. Por lo que, las plantas de energía nuclear utilizan ese calor de forma similar en que se utilizan los combustibles fósiles para generar electricidad.

Central Nuclear

Las centrales nucleares están conformadas por reactores nucleares y dispositivos que contienen y controlan las reacciones en cadena con el objetivo de producir calor mediante el proceso de fisión. El calor aumenta la temperatura del refrigerante del reactor, que suele ser agua, para producir el vapor que hace girar las turbinas que activan el generador eléctrico con el que se produce electricidad con bajas emisiones de carbono.

¿De dónde proviene el Uranio 235?

El Uranio es un metal que se encuentra en rocas de todo el mundo. Tiene varios isótopos de origen natural, siendo los más importantes el Uranio 235, que representa menos del 1% del Uranio mundial, y sirve para producir energía de fisión; y el Uranio 238, que se encuentra en mayor cantidad en el mundo, pero no puede producir una reacción de fisión en cadena.

Por lo anterior, es necesario incrementar la cantidad de Uranio 235 en una determinada muestra mediante un proceso denominado «enriquecimiento de Uranio» para poder utilizarlo eficazmente como combustible nuclear en una central durante un período de entre 3 y 5 años.

Desechos Radiactivos: La Desventaja de la Energía Nuclear

Una vez culminado el período de uso de 3 a 5 años, el Uranio seguirá siendo radiactivo, por lo que su disposición final debe realizarse bajo directrices estrictas para proteger a las personas y el medio ambiente.

En términos generales, las centrales nucleares producen desechos de diverso grado de radiactividad, y deben gestionarse de manera diferente dependiendo de su nivel de radiactividad y su propósito. Por esta razón, se están desarrollando reactores avanzados que generen menos desechos nucleares que los reactores actuales.

Conclusión

Las plantas de generación de energía nuclear son una fuente de energía de bajas emisiones de carbono. Por lo tanto, muchas entidades internacionales recomiendan la implementación de centrales de energía nuclear para lograr los objetivos mundiales de descarbonización y reducir el impacto del cambio climático. Sin embargo, la importancia clave de la energía nuclear es que puede implementarse en países con pocos recursos hídricos para crear centrales hidroeléctricas que puedan tener fuerza de inercia para mantener la estabilidad de la red, cosa que no pueden hacer las fuentes de energías renovables variables como la eólica y la solar.

→ Artículo Recomendado: La Energía Eólica y su impacto en las Redes Eléctricas.

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Fuentes

GE Grid Solutions Whitepaper: GEA34994 Nuclear Steam Whitepaper R12 – FINAL.

IAEA: What is Nuclear Energy? The Science of Nuclear Power

IAEA: What is the Clean Energy Transition and How Does Nuclear Power Fit In? | IAEA

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Sin embargo, una de las principales razones por las que se combinan los BESS con fuentes de energía renovable es para que las redes eléctricas puedan manejar la naturaleza variable de los parques eólicos y solares. En este sentido, los BESS pueden contribuir a mantener el equilibrio de la frecuencia y del voltaje en el punto de interconexión de estas plantas renovables. Es decir, pueden mitigar el impacto del desequilibrio de la red por fluctuaciones en las condiciones climáticas que afectan la potencia entregada por los aerogeneradores y por los paneles solares.

Existen diferentes soluciones de almacenamiento de energía disponibles en la actualidad, pero las baterías de iones de litio son actualmente la tecnología de elección debido a su rentabilidad y alta eficiencia.

Usualmente, los BESS tienen la flexibilidad de ser conectados directamente a la red eléctrica y también pueden funcionar en modo local cuando la red no está disponible.

Características Constructivas de los BESS

Aproximadamente el 90% de los sistemas BESS actuales son construidos con baterías de iones de litio porque requieren poco mantenimiento y proporcionan altas densidades de energía en pequeñas dimensiones físicas y de peso liviano.

Las baterías de iones de litio contienen un cátodo positivo y un ánodo negativo. Los iones de litio se mueven del ánodo negativo al cátodo positivo durante la descarga y regresan durante la carga. Este mecanismo está sumergido en un electrolito conductor de iones. El electrolito es un disolvente líquido inflamable de baja viscosidad.

Un BESS para plantas renovables consiste en un conjunto de celdas de batería de iones de litio con cantidades que pueden variar entre docenas, cientos o incluso miles de celdas para almacenar energía. Las celdas normalmente se empaquetan en módulos sostenidos en estantes, y los estantes normalmente se almacenan en estructuras de tipo contenedor de transporte.

¿Cuál es el riesgo de incendio con un BESS de iones de litio?

En un Whitepaper de Fireaway Inc. titulado «Fire Suppression in Battery Energy Storage Systems» explican detalladamente los riesgos de incendio con un BESS de iones de litio, y a continuación lo vamos a citar en idioma español.

Cada vez que se introduce una gran cantidad de energía en un espacio reducido, existe el riesgo de que se escape de forma descontrolada. Cuando esto sucede, puede ocasionar incendios e incluso podría resultar en una explosión.

Varios incidentes recientes en grandes instalaciones de BESS demuestran cuán considerables pueden ser los incendios que ocasionan, cuán difíciles son de extinguir y cuán peligrosos pueden ser para los socorristas. Adicionalmente, se deben tomar en cuenta las consecuencias posteriores: los costos directos e indirectos por el fuego, el tiempo de inactividad, la pérdida de productividad y el daño de la imagen de la empresa.

¿Qué causa los incendios en los BESS?

Es importante conocer la forma en que fallan los BESS para poder tomar medidas preventivas a tiempo y evitar un desastre. Las fallas en los BESS ocurren como una cadena de eventos que se dividen en cuatro etapas de fallas, que describiremos a continuación.

Etapa 1: Daño de la Batería

Las baterías se pueden dañar por estrés térmico debido al sobrecalentamiento interno, por calentamiento externo por fuego, o por una fuente de calor intensa. Otra forma de dañarse es por sobrecarga o porque se haya desarrollado un cortocircuito.

Otra de las razones del daño de la batería puede ser porque su contenedor se rompa o se dañe de alguna manera. O, por un problema de fabricación que conduce a un evento de falla térmica o eléctrica.

Etapa 2: Liberación de Gases

Una vez que la batería esté dañada o comprometida, la temperatura interna y la presión de la batería aumentan debido a la acumulación de gases. La integridad del contenedor de la batería falla y los gases se liberan. Estos gases en su mayoría son electrolitos vaporizados que son inflamables o explosivos. La liberación de gases puede ocurrir en un período de tiempo entre dos y treinta minutos antes de la siguiente etapa.

Etapa 3: Producción de Humo

Cuando la batería falla, el voltaje cae a cero y el ánodo y el cátodo se cortocircuitan. Con toda la energía almacenada de la batería fluyendo a través del cortocircuito, la temperatura de la batería aumentará rápidamente a más de 300ºC. Esto hace que se produzca humo desde el interior de la batería. La producción de humo es el primer paso en la fuga térmica y puede volverse combustible.

La fuga térmica es una reacción en cadena en la que la reacción exotérmica de una celda de batería defectuosa sobrecalienta una celda adyacente. La batería adyacente falla de manera similar y sobrecalienta otras baterías, y así sucesivamente.

Etapa 4: Fuego

El fuego puede sobrevenir rápidamente después de la evolución del humo. O el evento de fuga térmica puede continuar durante horas sin que se produzca ninguna llama. Durante este período, se producen grandes cantidades de vapores y gases inflamables en el recinto, creando una atmósfera explosiva.

Sin embargo, en muchos casos se produce una ignición y se desarrolla un incendio dentro del recinto del BESS. Y, a medida que los componentes de la batería son consumidos por el fuego, se acumulan más gases en el recinto aumentando la velocidad de la fuga térmica, evolucionando a un evento devastador y difícil de extinguir.

¿Cómo mitigar los riesgos de incendio en un BESS?

Lo recomendable es implementar sistemas de protección que puedan intervenir en la etapa más temprana de la falla de un BESS. Los siguientes sistemas son los más comunes:

• Sistema de gestión de batería (Battery Management System, BMS).
• Detección de Gases.
• Supresión de Incendios.

A continuación describiremos brevemente cada uno de estos sistemas.

1. Sistema de Gestión de Batería (Battery Management System, BMS)

La función principal de un sistema de gestión de batería (BMS) es evitar que las celdas de la batería se dañen debido a la sobrecarga y la descarga excesiva. También se encarga de monitorear la temperatura de la batería, así como de monitorear la presencia de cortocircuitos y conexiones defectuosas. Adicionalmente, mantiene la carga dentro de las celdas en el rango de rendimiento óptimo.

En este sentido, si el BMS detecta alguna condición anormal, apaga la batería antes de que se convierta en un peligro para la seguridad.

2. Detección de Gases

En caso de que el BMS se dañe o tenga un desperfecto de fabricación, la batería puede volverse inestable y comenzar a fallar. Por lo que se recomienda integrar un sistema de detección de gases como protección de respaldo para intervenir después de que falle el BMS.

La detección del gas proporciona una notificación mucho más rápida del problema que un detector de humo, calor o llama. El objetivo del sistema de detección de gas es mitigar el problema antes de que se requiera una acción de respuesta del equipo de supresión de incendios.

Cuando el detector de gas detecta la presencia de un gas de escape, procede a tomar acción cortando la energía de las celdas afectadas, activando las alarmas locales y remotas, y activando un sistema de ventilación dentro del recinto BESS para eliminar los gases inflamables y el calor.

3. Supresión de Incendios

La extinción de incendios es la última línea de defensa. Después de la detección de gas, la siguiente oportunidad para la detección de incendios es la producción de humo. En este caso, un detector de humo emite una señal de alarma que activa un sistema de supresión de incendios especial para mitigar la propagación de la fuga térmica de las baterías y extinguir cualquier fuego presente sin dañar los componentes del BESS.

Conclusión

Sabemos que hoy en día existen innumerables retos a nivel mundial para lograr la descarbonización e impulsar que la matriz energética tenga mayor porcentaje de fuentes renovables que de fuentes tradicionales. Sin embargo, es importante tener en cuenta que las nuevas alternativas para mantener la estabilidad del sistema eléctrico, y la continuidad del servicio a pesar de las condiciones climáticas, no operan con las mismas características de los sistemas de energía que estamos acostumbrados a manejar.

Un BESS no se puede proteger con el típico relé numérico que se aplica en las fuentes de energía tradicionales. Del mismo modo que no tiene condiciones de fallas ni remotamente iguales a las condiciones de falla de las subestaciones típicas de la red eléctrica. Una nueva tecnología viene acompañada de nuevas condiciones de falla que debemos conocer a cabalidad para poder prevenirlas antes de que un incidente peligroso cobre pérdidas irrecuperables, como la vida de operadores y de bomberos. Es nuestra responsabilidad como Ingenieros tener en cuenta la matriz de riesgo de todas las alternativas que implementaremos en nuestros proyectos, y promover la inversión en los sistemas de protecciones adecuados para cada tipo de solución tecnológica.

→ Artículo Recomendado: La Energía Nuclear y su Importancia en las Redes Eléctricas • LeiryChinchilla.com

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Referencias Bibliográficas

Fireaway Inc. Whitepaper: Fire Suppression in Battery Energy Storage Systems | Stat-X® (statx.com)

SIEMENS Battery Energy Storage Solutions | BESS | Storage Solutions | Siemens Energy Global (siemens-energy.com)

La entrada Sistemas de Almacenamiento de Energía con Baterías (BESS) y sus Riesgos se publicó primero en LeiryChinchilla.com.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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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