Con el aumento de la población humana y la creación de nuevas industrias, la demanda de energía eléctrica sigue aumentando cada año. La generación basada en combustibles fósiles, que representa la mayoría de las demandas energéticas actuales, también se está utilizando para satisfacer estas mayores demandas energéticas. Esto está conduciendo lentamente al agotamiento de los combustibles fósiles y al aumento de los precios del carbón y el gas natural. Según la Asociación Internacional de Energía (International Energy Association), los precios promedio del gas natural fueron cuatro veces más altos en Europa en la primera mitad de 2022, en comparación con el mismo período en 2021, mientras que los precios del carbón fueron más de tres veces más altos. Los combustibles fósiles también son los que más contribuyen a los gases de efecto invernadero y son responsables del aumento del calentamiento global.
Por lo tanto, las fuentes de energía renovables se plantean como una alternativa a los combustibles fósiles y tienen el potencial de superar los problemas antes mencionados. Las fuentes de energía como la energía solar, eólica e hidroeléctrica son abundantes y constantes en la naturaleza, por lo que el agotamiento de estas fuentes no representa un problema. Estos recursos no generan subproductos nocivos y son una energía mucho más ecológica y limpia. Muchos países han comenzado a adoptar estas fuentes de energía alternativas y tienen como objetivo generar alrededor del 40 % o incluso la mitad de la demanda total de energía con estas fuentes durante la próxima década.
A pesar de tener tales beneficios, la energía renovable no está creciendo lo suficientemente rápido como para satisfacer la creciente demanda de energía. En el estado actual, aún están lejos de proporcionar cero emisiones netas de carbono, lo que obliga a los países a continuar utilizando carbón y gas natural para su seguridad energética. La mayoría de los inconvenientes detrás de un crecimiento tan lento se pueden abordar mediante el uso de microrredes. En este artículo, analizaremos el tema con más detalle.
El rol de las microrredes y su relación con la energía renovable
Existen diferentes tipos de fuentes de energía renovable, y esta es la principal razón detrás de su lento crecimiento. Todas estas fuentes difieren en el tipo de potencia de salida que proporcionan, lo que genera intermitencia y variabilidad entre ellas. Esto genera una gran discordancia entre la oferta y la demanda de energía, lo cual puede compensarse mediante el uso de minirredes o microrredes. Debido a la naturaleza intermitente de las fuentes renovables, las microrredes suelen estar vinculadas a la red principal por motivos de confiabilidad, y esto las convierte en un sistema híbrido. En el caso de los sistemas fuera de la red presentes en islas o en ubicaciones remotas, se utilizan múltiples fuentes renovables para garantizar la confiabilidad del suministro de energía. Por ejemplo, la energía solar estará disponible solo durante el día, por lo que se necesita una fuente hidroeléctrica o eólica que pueda satisfacer la demanda durante la noche.
Al introducir múltiples fuentes de energía renovable en un solo sistema, esto permite controlar de manera eficaz el flujo de energía desde las fuentes hasta la carga y se convierte en un desafío, sobre todo con la red principal ocupada. Por lo tanto, se adoptan diferentes estrategias de gestión de energía para asegurarse de que no se pierda la energía generada. Un sistema óptimo consistiría en usar un sistema renovable híbrido junto con sistemas de respaldo, como almacenamiento en baterías o generadores diésel. Los sistemas de almacenamiento de energía también son útiles para almacenar el exceso de energía generada en caso de condiciones de carga ligera.
(Crédito de la imagen: Wenbo Shi, Universidad de California en Los Ángeles)
Estrategias de gestión energética en las microrredes
Tal como se analizó más arriba, contar con una óptima estrategia de gestión de la energía ayuda a aumentar la confiabilidad del sistema. Estas estrategias se basan en entradas de sensores y tecnología de información avanzada para brindar una óptima programación de recursos. Estas técnicas buscan maximizar la producción de energía y la vida útil, además de minimizar los costos operativos y ambientales.
Estrategia de control centralizado
Como su nombre lo indica, el control centralizado consiste en un controlador maestro o central que adquiere toda la información, como la energía generada en cada fuente renovable, los datos meteorológicos, entre otros. Es responsable de administrar las interfaces electrónicas de potencia en cada unidad de fuente de energía mediante el envío de parámetros de control óptimos. Esto ayuda a equilibrar la potencia activa y reactiva en condiciones de estado estable. El controlador central también puede analizar el patrón de consumo de energía de cada usuario a fin de realizar una programación óptima de los recursos.
Es necesario establecer un enlace de comunicación entre el controlador central y todos los controladores locales dentro de las fuentes de energía distribuida. Esto también lo convierte en un gran inconveniente de este sistema debido a la posibilidad de un punto único de falla. En caso de que el controlador maestro se desconecte, los controladores locales no tendrán ninguna comunicación entre ellos y el sistema completo resultará comprometido.
Estrategia de control descentralizado
A diferencia de la estrategia de control centralizado, los controladores locales en el control descentralizado tienen la capacidad de tomar decisiones de manera independiente. Cada controlador local propone su configuración óptima y envía la configuración al controlador maestro, que evalúa la programación óptima de recursos y la envía de regreso a los controladores locales. Este proceso de negociación de parámetros de operación continúa hasta que se cumplan los objetivos globales y locales.
Por lo tanto, incluso si falla el controlador maestro, el rendimiento de todo el sistema no se ve afectado en gran medida en comparación con el enfoque centralizado. Esto aumenta la confiabilidad del sistema. Otro beneficio que proporciona esta estrategia es una mayor flexibilidad del sistema. En este caso, los controladores locales se pueden agregar o eliminar sin informar al controlador central. El único inconveniente con este enfoque es la escalabilidad limitada del sistema, ya que no hay comunicación directa entre los controladores locales.
Estrategia de control jerárquico
El control jerárquico es una combinación de control centralizado y descentralizado. En este caso, los controladores locales se dividen en grupos, y cada grupo tiene su propio controlador central. Estos controladores centrales se comunican entre sí para obtener el estado general de la microrred. La ventaja de este enfoque es que la velocidad de comunicación entre los controladores locales es muy rápida, y es mucho más escalable y robusta para grandes entornos.
Por el lado del control, esta estrategia utiliza tres niveles de controles: primario, secundario y terciario a fin de aumentar la confiabilidad del sistema mediante la implementación de tres bucles de control. El bucle de control primario es responsable del control de tensión y ofrece capacidad plug-and-play para las fuentes de energía. El bucle secundario compensa la desviación de tensión causada por el bucle primario. El bucle terciario, que puede estar presente o no, es responsable de la optimización económica de la energía y también del control del flujo de potencia cuando existe la red principal.
Gestión eficaz de energía renovable en microrredes
Con el fin de garantizar la continuidad del suministro de las cargas y disminuir el costo de producción de energía, a menudo se utiliza una estrategia de gestión de la energía en los sistemas renovables híbridos, junto con técnicas de optimización energética. Estas estrategias pueden ser centralizadas o descentralizadas según el tipo de microrred que se utilice. Además, las tecnologías basadas en la Internet de las Cosas (IoT) pueden utilizarse en el futuro para resolver el problema del procesamiento de los datos en los sistemas de energía distribuida.
A fin de construir una microrred práctica, la clave para tener un sistema eficiente es incorporar semiconductores basados en banda prohibida alta (SiC) y banda prohibida amplia (GaN). Si planifica desarrollar un inversor, las herramientas de simulación de fabricantes como Semikron Semisel le ayudarán a decidir los parámetros para los componentes. Al insertar estos parámetros en la página de búsqueda de productos de Arrow, es posible seleccionar el producto ideal para la aplicación; por ejemplo, el IGBT SKM450GB12T4 de Semikron. Se trata de un IGBT de compuerta trench rápida de cuarta generación con una placa base de cobre aislada. Asimismo, también están disponibles productos similares de otros fabricantes como Analog Devices, MXP Semiconductors e Infineon Technologies.
