La célula de Smart Grid

Por I.L.G

Pamplona, 22 de octubre de 2012 .

Resumen: El artículo describe los subsistemas de los que está formada una Smart

Grid – las células de Smart Grid, sus elementos y el modo en que pueden ser

controlados en aras de una eficiencia energética ligada al paradigma de generación

local y distribuida, y de autosuficiencia. Defiende que esta tendencia hacia la

independencia energética de la célula es necesaria para simplificar en lo posible el

control de la Smart Grid que, a su vez, también quiere ser autosuficiente y depender

en la menor medida posible de una Red de Distribución superior.

Área temática: Generación y Consumo Energético en las Smart Grids

Palabras clave: Autoconsumo, Energy Management, microrred, Generación

Distribuida.

LA SMART GRID

Una Smart Grid es un sistema eléctrico en el que conviven productores y generadores

con el objetivo común de optimizar el conjunto desde el punto de vista de la eficiencia

energética pero también bajo criterios económicos y de confort del usuario.

El paradigma principal de funcionamiento es que la SG produzca exactamente igual

potencia que la que está siendo consumida dentro de la misma en cada instante. Pero

la regulación que permite lograrlo constituye un objetivo tanto más complicado cuanto

menor es el tamaño de la SG, debido al mayor impacto de una perturbación en alguno

de los elementos, siendo incluso, en muchos casos, imposible conseguir un balance

preciso entre generación y consumo en todo instante. Evitar la intensificación del

almacenamiento o del uso de generadores diesel auxiliares para solventarlo es un

requisito económico factible mediante la asociación de la SG con la Red de

Distribución en un punto de conexión que permita el intercambio de potencia tanto

cuando la SG sea deficitaria como cuando sea excedentaria de energía.

Figura 1. Ejemplo de una Smart Grid.

En la SG pueden encontrarse elementos que sean puramente generadores, como

pequeñas plantas fotovoltaicas o aerogeneradores, elementos consumidores puros,

ejemplificados en las viviendas clásicas, o elementos más completos que además de

consumir, produzcan parte de la energía que necesitan e incluso almacenen parte de

la que les sobre en determinados momentos. Estos últimos elementos representan un

modelo a escala de la propia Smart Grid de la que forman parte. Comparten sus

funciones, su razón de ser. Dentro de ellos, también se busca que el flujo de potencia

en el punto de interconexión con el organismo superior sea nulo. Es por ello que,

aplicando una analogía biológica, estos elementos pueden ser considerados como

células de la Smart Grid.

Figura 2. Ejemplo de una célula de Smart Grid.

El dimensionamiento óptimo de una SG no puede ser sencillo pero, si está formada

por células autosuficientes, la SG también lo será. Al menos, sobre el papel. Todo flujo

de potencia en el punto de conexión de cada célula a la SG será traducido en el

mismo flujo de potencia en el punto de conexión de la SG a la Red de Distribución.

Eso en el peor de los casos, porque parte de esa potencia podría ser intercambiada

dentro de la SG entre sus células.

Sin embargo, no conviene ser tan optimistas. Todo lo que se aleje cada célula de la

autosuficiencia deberá ser tenido en cuenta a la hora de dimensionar el punto de

conexión general de la SG ya que todas las células podrían estar produciendo al

mismo tiempo o todas podrían estar consumiendo a la vez.

Los desacoplamientos entre generación y consumo pueden ser absorbidos

aumentando la presencia en la instalación de almacenamiento ya sea de forma

distribuida en cada célula o de forma centralizada en un elemento de almacenamiento

de la SG.

LA CÉLULA

El presente artículo sitúa su foco en la célula y en el modo de hacerla autosuficiente,

contribuyendo de ese modo a la autosuficiencia de la SG en la que está integrada.

Una célula es, en sí misma, un caso particular de microrred, en la que pueden

encontrarse uno, varios, o todos los distintos elementos disponibles, como

generadores fotovoltaicos, generadores eólicos, consumidores, cargas auxiliares,

sistemas de almacenamiento, e incluso, generadores auxiliares basados en

combustibles fósiles.

Para que el estudio de la gestión de la célula sea sustancioso, se considerarán

aquellas células formadas, al menos, por un elemento de consumo y un elemento

generador. Además, de otro modo el paradigma de autosuficiencia local no sería

factible. Un ejemplo de esto es una vivienda con un panel fotovoltaico en su tejado. La

vivienda se considera formada por aparatos de consumo eléctrico donde unos podrán

ser controlables y otros no.

El ajustado dimensionamiento de los elementos dentro de una célula implica que su

tamaño es del orden de magnitud de la potencia de toda la célula. Este hecho provoca

que una alteración en el estado de cualquiera de los elementos tenga una fuerte

influencia en el sistema y, por tanto, que el control de la célula para conseguir la total

independencia energética sea una empresa altamente compleja, cuando no imposible.

En la siguiente figura se muestra un ejemplo de una vivienda cuyo consumo eléctrico

no responde a ninguna restricción y únicamente atiende a las necesidades arbitrarias

del usuario, y que dispone de un generador fotovoltaico.

Figura 3. Perturbación provocada por el paso de una nube. El área morada es la demanda que

debe ser satisfecha mediante absorción de potencia desde la Smart Grid.

Con un perfil de irradiancia como el del ejemplo de la figura, el control de la célula es

capaz de seguir a la demanda de la instalación siempre que la potencia disponible sea

suficiente. En el momento en que la irradiancia cae a causa del paso de una nube -

como ejemplo más característico, la demanda sobrepasa a la generación y el déficit

debe ser cubierto absorbiendo potencia de la red externa (la Smart Grid, en este

caso).

Obviamente, en una instalación como la del ejemplo, se produce la misma situación

para todo consumo nocturno.

Esta situación puede mejorarse añadiendo a la célula elementos que permitan dotar al

sistema de control de mayor número de grados de libertad.

GENERACIÓN CONTROLADA

Como se ha mencionado, una célula energéticamente autosuficiente debe disponer al

menos de un medio de generación local además de los consumos habituales. Los

convertidores asociados a fuentes renovables están programados para extraer la

máxima potencia disponible en todo momento e inyectarla en la red a la que se

encuentran conectados. En el caso que nos ocupa, en cambio, el convertidor debe ser

capaz de limitar su producción por debajo de la potencia disponible para que el

sistema se pueda controlar y la generación siga al consumo, resultando en un balance

cero en el punto de conexión con la SG.

Sin tener en cuenta la restricción económica, está claro que el sobredimensionamiento

es una opción que beneficia al objetivo de autosuficiencia. Este hecho puede

observarse fácilmente con las figuras mostradas a continuación en las que se

presentan curvas de potencia disponible en el panel fotovoltaico, la producción real

generada por el inversor y un perfil fijo de consumo. Figuras similares podrían servir

para describir el caso de un aerogenerador o la suma de ambos tipos de generación

eléctrica.

Figura 4. Curvas de irradiancia (amarillo), de producción fotovoltaica(verde) y de consumo

(morado). La línea roja indica el límite de potencia del inversor.

Figura 5. Aumento de la potencia pico instalada (dimensionamiento de los paneles

fotovoltaicos). Se obtiene mayor producción fotovoltaica (área verde) en las horas cercanas al

amanecer y al atardecer del día y durante el paso de la nube. No se absorbe el pico de

consumo que aparece en las horas centrales debido a la limitación de potencia del inversor.

Figura 6. Aumento de la potencia nominal de la instalación (potencia del inversor). Se genera

internamente mayor parte de la potencia consumida durante el pico de consumo. Mediante un

estudio completo se determinará cuál es el sobredimensionamiento óptimo que compense el

aumento del coste de la instalación.

Figura 7. Producción fotovoltaica en el caso en que se permita inyectar en la red el excedente.

GESTIÓN EN EL LADO DE LA DEMANDA (DSM)

Un uso racional de la energía eléctrica ayuda de forma directa a su gestión. Esta

percepción es ajena al usuario que desconoce el sistema eléctrico existente detrás del

enchufe. Sin embargo, se vuelve mucho más patente en aquel que busca el

autoconsumo, el que sabe cuándo, dónde y cómo se está produciendo la energía que

consume. Una gestión automática puede facilitar esta tarea al usuario, que configurará

el sistema de control para optimizar los consumos sin comprometer su confort.

Bajo este punto de vista, las cargas consumidoras de energía eléctrica dentro de una

célula pueden clasificarse en cuatro categorías: cargas diferibles, cargas

desconectables, cargas de lastre, y cargas no controlables.

Las cargas diferibles son aquellas cuya hora de inicio es irrelevante, al menos dentro

de un periodo de tiempo. Un ejemplo puede ser el lavavajillas. Un sistema de control

eficiente conectará estas cargas en los momentos en los que se prevea que la

demanda de la instalación va a ser menor que la producción estimada durante todo el

tiempo en que estará activa. Esta operación se conoce con el nombre de ‘load

shifting’.

Figura 8. Cargas diferidas hacia instantes con mayor potencial energético (fotovoltaico, en este

caso).

Las cargas desconectables pueden ser apagadas temporalmente sin perjuicio alguno

para el usuario ni para la propia carga. El sistema de control puede decidir eliminar su

alimentación durante el tiempo que dura una situación de déficit entre generación y

consumo dentro de la célula (load shedding). El usuario deberá poder configurar al

menos el nivel de prioridad de la carga y el tiempo máximo de desconexión. Un

congelador o la iluminación de ciertos sectores de la vivienda pueden ser cargas

desconectables en caso crítico de necesidad.

Figura 9. Parte de las cargas son desconectadas para evitar sobrepasar la capacidad de

generación.

Las cargas de lastre son cargas desconectables con un nivel de criticidad bajo. Al

usuario le interesa conectarlas siempre que haya excedente de generación antes que

limitar la producción. A lo largo de un periodo de tiempo (por ejemplo, un día), es

completamente irrelevante el momento o los momentos en que estas cargas de lastre

se encuentran conectadas, ya que existe una amplia histéresis entre el estado de

encendido por necesidad y el estado de apagado por necesidad. Un ejemplo que lo

explica a la perfección es el de un depósito para agua caliente. El usuario debe

disponer de agua a una temperatura por encima de cierto valor para satisfacer sus

necesidades de agua caliente sanitaria. La cantidad de energía que esta carga puede

absorber es función de la diferencia entre la temperatura máxima de trabajo del

depósito y la temperatura mínima necesaria, y del volumen de agua. Puede ser que

las condiciones energéticas de la célula durante un tiempo hayan llevado a que la

temperatura del depósito se encuentre por debajo del umbral mínimo. En ese caso, la

carga deja de ser una carga de lastre. Si el depósito en cuestión es una fuente auxiliar

para el sistema de ACS principal, entonces la carga es completamente controlable

hasta alcanzarse la temperatura máxima. En cierto modo, se trata de una forma de

almacenamiento similar al bombeo de agua a un nivel superior.

Figura 10. Se conectan cargas de lastre cuando hay potencia disponible.

Por último, las cargas no controlables son aquellas cuyo estado no puede quedar a la

decisión de un sistema de control como el que se está describiendo. No puede

apagarse la cocina o la televisión a un usuario dependiendo, por ejemplo, de las

condiciones climáticas.

EL VEHÍCULO ELÉCTRICO

Un caso particular de carga es el Vehículo Eléctrico que, en función de los hábitos del

usuario podría representar una carga diferible, desconectable, incluso de lastre,

modulable o una combinación de las cuatro.

A las categorías descritas anteriormente, hay que añadir la categoría modulable, que

ofrecen los sistemas de recarga inteligentes de vehículos eléctricos. Así, un vehículo

eléctrico puede ser gestionado como una carga diferible, en los casos en que su hora

de inicio puede haber sido programada para que tenga lugar en las horas valle del

sistema. En aquellos casos en que el usuario lo tolere, podría comportarse como una

carga desconectable, o bien puede comportarse como carga lastre si el usuario o la

regulación así lo exigen.

Pero el verdadero potencial de la combinación de sistemas de SG junto con recarga

de vehículos eléctricos pasa por aprovechar la posibilidad de modular

instantáneamente la recarga de los mismos, por medio de un sencillo mecanismo

electrónico de transferencia de una consigna de corriente máxima desde la estación

de recarga al vehículo. Este mecanismo forma parte del estándar IEC 61851, y

asegura la compatibilidad entre fabricantes de vehículos y estaciones de recarga. De

este modo, una estación de recarga interconectada con otros elementos de una SG

puede derivar los excesos de generación eléctrica de una célula a la recarga del

vehículo, o reducirla en caso de que la demanda esté cerca de superar a la generación

dentro de la célula.

A medio plazo, la posibilidad de integrar la batería de los vehículos como un elemento

más de la célula de SG podría servir para evitar la inversión en un elemento de

almacenamiento en cada célula. Este modo de funcionamiento se conoce como V2H

(Vehicle to Home), en caso de que la célula estuviera circunscrita a una vivienda, o

V2G (Vehicle to Grid) en caso de que la energía extraída de la batería del vehículo se

devolviese a la SG.

ALMACENAMIENTO

Un sistema de almacenamiento eléctrico (baterías) constituye una enorme aportación

al objetivo de autosuficiencia de la célula ya que permite paliar el desacoplamiento

entre generación y consumo en el tiempo, en mayor medida cuanto mayor sea la

capacidad de almacenamiento disponible. En el caso extremo de una capacidad de

almacenamiento infinita, si la energía generada dentro de la célula iguala a la energía

consumida, el flujo de potencia en el punto de conexión será siempre nulo, por lo que

el nexo con la SG podría incluso desaparecer. El sistema sería autónomo. En la

práctica, un almacenamiento económicamente más racional permitirá evitar el flujo de

potencia entre la SG y la célula siempre que el estado de carga no se encuentre en

uno de los dos límites, totalmente cargado o totalmente descargado.

El sistema de gestión que cuenta con almacenamiento entre sus elementos para

control, será capaz de desviar en cada instante la potencia generada que no está

siendo consumida, antes de que los convertidores asociados a fuentes renovables

limiten su producción. La energía almacenada podrá ser utilizada posteriormente en

aquellos momentos en que la célula consuma más potencia de la disponible en

generación. Esta situación se acerca a nivel local al concepto de ‘peak shaving’. Si la

célula es capaz de interactuar con la SG para intercambiar potencia con la misma

según la consigna impuesta por un controlador, en determinados momentos la

presencia de un almacenamiento en la célula podría contribuir también a un ‘peak

shaving’ global con relativa independencia de la variabilidad de los recursos

renovables.

SISTEMA DE GESTIÓN DE ENERGÍA DE LA CÉLULA

La célula deberá disponer de un sistema de gestión energético (EMS, de Energy

Management System) que coordine a todos los elementos presentes para lograr el

objetivo programado. El sistema de gestión aplicará las estrategias de actuación en

cada momento en función de la situación y el estado de cada elemento, de previsiones

o estimaciones y de los hábitos del usuario que se hayan parametrizado para

garantizar su confort.

A lo largo de todo el artículo se ha establecido como propósito la autosuficiencia de la

célula. Sin embargo, el sistema de gestión también debe ser capaz de modificar este

objetivo atendiendo a las órdenes de un controlador superior para, por ejemplo,

entregar, si es posible, potencia a la SG para compensar un déficit en otro punto de la

red, o incluso, en una aplicación más cortoplacista, inyectar potencia en la red a

determinadas horas del día siguiendo criterios económicos, en caso de que exista una

tarifa atractiva para ello.

CONCLUSIONES

Pasarán todavía muchos años hasta que podamos disponer de una red sin generación

centralizada y la transición no será revolucionaria sino lenta. Esta afirmación queda

avalada por el hecho de que el control de una red distribuida es extremadamente

complicado y su estabilidad depende, entre otras muchas cosas, de un correcto

dimensionamiento local y global. Las desviaciones sobre el óptimo de funcionamiento

serán absorbidas a corto y medio plazo por la Red de Distribución pero, a medida que

aumente la penetración de microrredes en el sistema eléctrico, la gestión de las

mismas debe afinarse para depender en menor medida del apoyo de los generadores

centralizados.

En el camino hacia la Generación Distribuida, nuestra tarea hoy día es dar los

primeros pasos diseñando células autosuficientes que contribuyan a obtener Smart

Grids autosuficientes para lograr finalmente una Red con el mínimo transporte

necesario.

La tecnología actual ya permite crear células que minimicen el flujo de potencia en su

punto de conexión, con dispositivos comercialmente disponibles hoy en el mercado.