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Resumen Este informe es realizado un estudio para elsector elctrico ecuatoriano, se caracteriza principal mentepor contar con una demanda creciente y un perfil de expansindescentralizado lo cual ha generado nuevas oportunidades enel segmento de generacin, siendo una de ellas la generacindistribuida y, en particular, la micro generacin, se compruebaque el modelamiento de micro generacin no que colaboracon el suministro y disminucin de emisin de contaminantes,sino que puede mejorar las caractersticas de la red, dandocomo resultado una mejor calidad de suministro.

Palabras claves: Micro generacin, red, tension

I. INTRODUCCIN

En la actualmente se consume y se contaminamuchas reas de nuestro territorio o nuestro planetapuede soportar guindonos a un calentamientoglobal, por lo que los servicios de generacinelctrica tienden cada vez ms aun beneficio deahorro tanto de combustible como de emisiones deCO2 sin dejar de satisfacer las necesidades de losconsumidores.

El sistema establecido de generacin deelectricidad, segn el modelo tradicional, exige eluso de grandes centrales de generacin, latransmisin de energa a travs de largas distanciasy despus su distribucin por las lneas locales. Laprctica de la instalacin y operacin de los equiposde generacin elctrica, cerca del local donde laenerga es utilizada es conocida como generacindistribuida[1].

En ocasiones, esta fuente de GD es la nica conposibilidades de interconectar comunidades ruraleso prcticamente aisladas.

La tendencia original de oponerse a laincorporacin de la GD al sistema elctrico, se viorevertida, fomentando su interconexin medianteincentivos econmicos, obviamente variando porpas.

Al fin de cuentas, la interconexin de nuevasfuentes de energa al sistema elctrico tradicionaltrae aparejada una serie de ventajas nodespreciables.

La generacin distribuida suministra electricidad alos clientes del local donde fue montada o soportauna relativamente pequea red de distribucin, quegeneralmente puede ser conectada a la red general,en tensiones al nivel de la distribucin.

Las tecnologas de GD incluyen motores pequeas(y micro) turbinas, principalmente a gas, elicas.

Las tecnologas renovables irrumpieron con fuerzaen el sector de generacin distribuida en los ltimosaos.

Pero el mayor impulso de la GD procede sin dudadel incremento en los precios de los combustiblesfsiles que propiciaron que muchas tecnologas deGD sean rentables incluso donde hay disponibilidad

de energa elctrica convencional.

La generacin distribuida puede suministrar algunaso todas las necesidades de electricidad de losclientes.

La generacin distribuida puede alimentar la red enmedio y baja tensin, dependiendo del tipo ytamao de la fuente utilizada.

Se considera que las fuentes de GD de media

tensin son de hasta aproximadamente 25 MW yque las redes de baja tensin son equipos defuncionamiento permanente desde 30 kW hastaestimativamente 250 kW y vinculados en grupo[1].

Los pequeos generadores y sistemas de almacenajede energa trabajan en un rango tpico que va de 1kW a 50 MW o ms grandes. Son sistemas que seencuentran

Micro generacin en sistemas de generacindistribuida y su impacto a la red de baja tensin

Mario Fernando Tituaa De La Vega

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Figura1. Esquema de caldera convencional [1]

II. ESTADO ACTUAL DEL USO DE ENERGASRENOVABLES

Estado actual del uso de energas nivel mundialDurante la dcada de los 70, cuando comenzaron aproducirse eventos importantes en el mercado delpetrleo a nivel mundial, surgi por primera vez lapreocupacin sobre el suministro y precio futuro dela energa.

Como resultado, los pases consumidores de

petrleo enfrentados a su alto costo y observando lafuerte dependencia hacia este energtico, se vieronobligados a modificar costumbres y buscar opcionespara reducir la dependencia de fuentes norenovables. As, hacia mediados de los aos setenta,mltiples centros de investigacin en el mundoretomaron el estudio de sistemas basados enenergas renovables[2].

Por otra parte, y como resultado de las evidenciasen el aumento de concentraciones de gases que

provocan el efecto de invernadero en la atmsferamuchos pases, particularmente los msdesarrollados, establecen compromisos para limitary reducir emisiones de gases de efecto deinvernadero renovando as su inters en aplicarpolticas de promocin de las energas renovables.

Hoy en da, muchas de las tecnologas deaprovechamiento de energas renovables hanmadurado y evolucionado, aumentando suconfiabilidad y mejor ando su rentabilidad para

muchas aplicaciones.

Como resultado, pases como Estados Unidos,Alemania, Espaa e Israel presentan un crecimientomuy acelerado en el nmero de instalacionesbasadas en ERNC y la participacin de energasrenovables en el mbito de la generacin elctricaha aumentado notablemente en las ltimas dcadasa nivel mundial [2].

El creciente apoyo a las energas renovables, haprovocado un incremento de su aporte a las matricesenergticas mundiales notablemente. Pases comoAlemania y Espaa ya cuentan con una granparticipacin de energas renovables en su matrizenergtica, siendo la energa elica la msutilizada[3].

Figura2. Potencia Elico elctrico estimado delecuador [18]

III. ESTADO ACTUAL DEL USO DE MICROGENERACIN A NIVEL MUNDIAL

La micro generacin se ha desarrollado en formacreciente algunos pases desarrollados.

Muchos pases ya han identificado ciertas

tecnologas de micro generacin que les reportanbeneficios de acuerdo a sus necesidades y a travsde estrategias y programas de gobierno han logradoincorporar pequeas unidades generadoras engrandes ciudades.

En efecto, la IEE (Intelligent Energy Europe) es unprograma de la unin europea que ha promovido laincorporacin de energas renovables apoyando

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financieramente proyectos internacionales, eventose instituciones regionales [4].

A modo de ejemplo, este programa impuls en elao 2005 el proyecto ACCESS (AcceleratedPenetration of Small-Scale Biomass and SolarTechnologies) incorporando tecnologas de

pequea escala basados en biomasa y energa solaren Bulgaria, Republica Checa, Hungra, Rumania yEslovaquia [5].

En Alemania alrededor de 150.000 personastrabajan directa o indirectamente en el sector deenergas renovables el cual actualmente tiene unretorno de aproximadamente 12 billones de euros alao, gracias a su estrategia de micro generacin. Suprograma de incentivos al mercado ha financiadoalrededor de 300.000 aplicaciones en paneles

solares, pequeas instalaciones para la combustinde biomasa, y medidas de ahorro energtico enedificios, as como tambin se ha puesto laambiciosa meta de lograr para 1000 MW eninstalaciones fotovoltaicas a travs de su programa100.000 Techos Fotovoltaicos[5].

Digna de mencin es la ciudad de Freiburg ubicadaal suroeste de Berln, la cual ha cultivado lareputacin de capital ecolgica. Esta ciudadcuenta con la mayor cantidad en horas de sol en

Alemania y adems con una constante polticaecolgica de los gobiernos federal y regional lo cualha resultado en una masiva instalacin de sistemasfotovoltaicos tanto que supera en nmero ycapacidad al total de instalaciones existentes entodo Reino Unido.

Japn tambin ha sido pionero en la incorporacinde energa fotovoltaica, contando con 200.000instalaciones de sistemas fotovoltaicos para el ao2004, a travs de su proyecto Sunshine[6].

En Suecia, y a partir de los aos 70 varias polticasgubernamentales han incentivado tecnologas deproduccin de calor hacindolas competitivasrespecto de mtodos basados en combustiblesfsiles, llegando a reemplazar el 10% de domicilioscon el uso de los ya masivos sistemas CHP, por sussiglas en ingls para el trmino Potencia y calorCombinados.

Por su parte, Canad ha hecho un importante trabajoal reducir barreras tcnicas y regulatorias para laincorporacin de pequeos aerogeneradores, celdasde combustible y sistemas fotovoltaicosresidenciales, fundamentando que la incorporacinde estndares de instalacin permitirn una mejorpenetracin al mercado, mayor investigacin y

desarrollo y mayor competitividad, lo que sefinalmente se reflejar en una disminucin de loscostos [6].

Un caso digno de mayor estudio es el de ReinoUnido, el cual ha impulsado en forma creciente yconcreta la necesidad de incorporar microgeneracin a nivel domiciliario.

A travs de la creacin de comisiones de desarrollo,programas de gobierno, promulgacin de leyes, un

amplio programa de educacin e informacin alpblico, y ms directamente su Estrategia de MicroGeneracin Reino Unido ha logrado contar, en elao 2004, con aproximadamente 82,000instalaciones de micro generacin [7].

Aun as, estudios encargados por su gobierno hansugerido que para el ao 2050 la energa obtenida apartir de este tipo de instalaciones debiera suplirentre el 30 a 40% de las necesidades de electricidady as reducir las emisiones residenciales de carbono

en un 15%.

IV. ALTOS COSTOS

La escasez de demanda por micro unidades degeneracin ha restringido la industria y susposibilidades de explotar economas de escala, ascomo tambin el aprendizaje de los efectos deproducir e instalar estas unidades.

Esto ha significado que el costo de estos productos

se mantenga tan alto como para frenar lamasificacin de la demanda, dejando a la industriaen un crculo vicioso: la demanda es baja debido alos altos costos iniciales de inversin, sin embargoes difcil disminuir los costos sin un aumento en lademanda.

En la mayora de los casos, el desarrollo natural delmercado eventualmente har que los precios

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disminuyan a un nivel en que sean - en teora -atractivos a los consumidores.Lamentablemente, si no se realizan los esfuerzospara estimular la demanda este proceso podratomar muchos aos.

V. FALTA DE INFORMACIN

La difusin poco adecuada y la falta deconocimiento por parte de los consumidores opotenciales micro generadores es una gran barrerapara la incorporacin de micro generacin.

En la actualidad existen muy pocos pases que hancentralizado la entrega de informacin respecto dela micro generacin y esto debe ser parte de unaestrategia mayor que impulse la incorporacin degeneracin domiciliaria [8].

En particular, es relevante contar con informacinacerca de los beneficios, obligaciones, aspectos deseguridad, conocimiento del mercado local,proveedores, costos etc.

VI. DIFICULTADES TCNICAS

Debido a que las redes de distribucin y enparticular las redes de baja tensin no fuerondiseadas para recibir inyecciones de potencia, se

han detectado varios efectos en la red derivados dela conexin de micro generadores.

Estos efectos varan con el tipo de generadorinstalado, as como tambin con la cantidad depotencia instalada. Los efectos ms comnmenteobservados son: Flujos de potencia inversos, alzasde voltaje, cambio en niveles de corto circuito,distorsiones debido a contaminacin porharmnicos y desbalances de voltaje [8].

VII. BARRERAS REGULATORIAS

Una de las barreras ms fuertes al considerar laincorporacin masiva de micro generacin es la deaspectos regulatorios.

A quien corresponde la responsabilidad deautorizar la instalacin de unidades, quecondiciones deben cumplir las instalaciones,

procedimientos de conexin, e incluso posiblescondiciones de venta de excedentes al sistema sontemas que aun en pases con un nmero importanteen instalaciones de micro generacin no han sidosolucionados.

La suma de estos aspectos ciertamente crea un

obstculo al momento de querer instalar unapequea unidad a nivel domiciliario.

VIII. PERSPECTIVAS DE MICRO GENERACIN

La temprana etapa en la cual se encuentra elmercado de micro generacin a nivel mundial, ascomo tambin el distinto nivel de desarrollo queactualmente tienen las distintas tecnologasutilizadas hacen difcil predecir su evolucin en el

tiempo.

Predecir como aumentar el nivel de instalacindomiciliaria es de suma complejidad ya que no slohan de considerarse variables de desarrolloeconmico y de suministro de energticos primarios(tales como el gas, carbn petrleo), sino queexisten tendencias sociales, tales como una mayorconciencia respecto de las energas renovables, quepodran afectar la demanda[1].

Sin embargo, se puede estimar el desarrollo ycrecimiento de las tecnologas de generacinasociadas al mercado del micro generacin, lo cualsin duda influir en la demanda debido a cambiosen los costos de produccin.

Dentro de las tecnologas ms adecuadas paragenerar energa en forma domiciliaria se encuentranlas celdas fotovoltaicas.

A pesar de que esta tecnologa ya pas su fase de

desarrollo y es comercializada en forma masiva envarios pases, su costo actual se mantiene bastantealto y no competitivo.

Estudios han determinado que es necesario generarincentivos para lograr competitividad en estatecnologa, y que esto podra lograrse para el ao2030 considerando el supuesto de que la unidadgeneradora pueda vender sus excedentes a la red[1].

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Para el caso de pequeos generadores elicos, sucompetitividad depende adems de otros factores,tales como la velocidad promedio del viento en ellugar de instalacin.

Bajo el escenario promedio, pequeos generadores

elicos pueden llegar a ser competitivos para el ao2012 o 2015, pero tambin suponiendo venta deexcedentes, ya que sin la venta de excedentes estatecnologa podr ser competitiva recin para el ao2050[1].

Por otra parte, en la actualidad las celdas decombustible se encuentran en desarrollo y se prevque este contine hasta el ao 2010.

Las tecnologas con mejores posibilidades de xito

en el mercado son las de celdas de Oxido Slido(SOFC) y celdas con membrana del intercambio deprotones (PEMFC).

El uso de celdas de combustible a nivel industrial esuna realidad hoy en da, pero su uso a nivelresidencial no se espera antes del ao 2015.Por ltimo, la evolucin de las tarifas a nivel dedistribucin en el ltimo tiempo puede hacer cadavez ms conveniente la instalacin de microgeneracin dado los altos precios de la energa que

se registran en la actualidad[9].

IX. GENERADORES ELICOS

La energa elica es una de las tecnologas conmayor y ms rpido crecimiento a nivel mundial, enlo que se refiere a utilizacin de energas renovablesy actualmente las turbinas elicas son la tecnologams prometedora en lo que se refiere a integracinde energas renovables.

Su desarrollo moderno comenz en la dcada delos 80, en donde se instalaron algunos kW, para darpaso a la instalacin de varios MW hoy en da [2].

X. MODELO ELCTRICO DEL GENERADOR ELICO

Para efectos de este estudio, y debido a la situacindel mercado actual en micro generacin elica, seconsiderar la conexin de pequeos generadores

elicos de induccin directamente conectados a lared (velocidad fija) [1].

Figura 3 Conexin de pequeo generador elico de velocidad fija conetapa de compensacin[1]

Este tipo de generador requiere potencia reactivapara su funcionamiento, la cual es obtenida a travsde la red elctrica.

Esto con lleva a problemas de operacin de la redya que la excesiva demanda por reactivos puedegenerar cambios en niveles de tensin y sobrecargade lneas en la red de distribucin. Es por ello quemuchas veces es necesario contar con equipos decompensacin como bancos de condensadores oequipos de electrnica de potencia. Sin embargo, eneste estudio no se considerarn equipos decompensacin de modo de ver el efecto de estasunidades sobre la red de baja tensin[10].

En esta seccin se explican el principio defuncionamiento de la energa elica y sumodelacin.

En primera instancia es necesario definir la energadel viento, ya que el aerogenerador aprovecha laenerga cintica del viento para generar energaelctrica. La energa cintica de una masa de aire mmovindose a una velocidad v se puede expresarcomo:

( )=1

2

La masa de aire que pasa a travs de un rea dada auna velocidad v es

=

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Donde es la densidad del aire. Por lo tanto, lapotencia del viento es

=1

2

Sin embargo, en la realidad la potencia extrable delviento se ve limitada por un coeficiente derivado dela ley de Betz, la cual afirma un aerogenerador slopuede convertir aproximadamente 16/27 (el 59 %)de la energa cintica del viento en energamecnica [11].

Debido a lo anterior, la potencia mecnica realextrable del viento es

=

1

2

En la ecuacin anterior, el coeficiente adimensionalCp llamado coeficiente de energa representa ellmite de Betz mencionado anteriormente y dependedel ngulo de inclinacin y de la velocidad de lasaspas con respecto al eje [1]

=1

2 4

16

27

Figura 4 Velocidades en la turbina de viento [1]

DondeV1=Velocidad promedio en altura

=D= Dimetro del rotor

Adems, se define el coeficiente de velocidad de lasaspas,

=2 1

Para preestablecer el modelo de la mquina puede

ser dicho que el coeficiente de la energa dependesolamente de y de [1].

A continuacin se muestra esta dependencia enforma grfica:

Figura 5 Curvas de coeficiente de potencia en funcin de y [1]

XI. IMPACTOS EN LA RED DE DISTRIBUCINDERIVADOS DE LA CONEXIN DE MICRO

GENERACIN

Como se ha explicado anteriormente, las redes de

distribucin han sido diseadas para realizar eltrasporte de un flujo unidireccional de potenciadesde las subestaciones hacia los consumidores,razn por la cual no estn preparadas para recibirinyecciones de potencia desde los consumos.

Debido a lo anterior, la conexin de micro unidadesde generacin en redes de baja tensin puedegenerar un impacto en estas redes particularmenteen lo que respecta a calidad de suministro yseguridad [1].

Al identificar las variables que pueden verseafectadas por la inyeccin de potencia generada porestas unidades, se pueden prever impactos en tresniveles:

Variables Elctricas Operacin y Planificacin Infraestructura y Equipos

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Figura6 Esquema de un Sistema Elctrico con Micro generacin en BajaTensin [1]

En primera instancia, es fcil predecir un impactoen las variables elctricas de la red pues el solohecho de afectar los flujos de potencia traeconsecuencias en niveles de tensin, estabilidad ycorrientes de corto circuito, entre otros.

Sin embargo existen aspectos de operacin,planificacin e instrumentacin a considerar si sedesea tener una visin acabada del impacto de la

conexin de generacin a niveles de consumo enbaja tensin.

A continuacin se detallarn con ms precisinestos fenmenos.

Impacto Sobre Variables ElctricasFlujos de Potencia Inversos

Un micro generador conectado en baja tensinpuede cambiar los flujos de potencia, dependiendo

de la potencia que ste entregue a la red y de lascondiciones en las que se encuentre el consumo [1].

En particular, esto puede ocurrir en aquellos casosen que haya un alto nivel de penetracin en laconexin y esta supere ampliamente el nivel decarga de la red.

Dadas las circunstancias actuales y segn estudiosrealizados recientemente no existe an laposibilidad de provocar grandes flujos inversos depotencia en estas redes ya sea por capacidadtecnolgica o econmica, de modo que excedentesde energa generados por un micro generador no seexportarn va transformadores de distribucin, sino

que ms bien pasarn hacia otros consumidoresconectados a la red de baja tensin.Debido a lo anterior, la probabilidad de que losflujos inversos superen la capacidad de lostransformadores de distribucin existentes es casinula.

En lo que concierne a transformadores primarios dedistribucin, la existencia de flujos inversos puedeprovocar problemas desde el punto de vista deloscambiadores de derivacin.

Usualmente estos cambiadores se encuentran en ellado de alta y se configuran para ciertas condicionesde la red, por lo cual al existir flujos inversos podrasurgir la necesidad de cambiar su configuracin eincluso modificarlos.

Niveles de tensin:

El flujo de potencias activa y reactiva a travs de lasimpedancias de la red genera cadas de tensin

cuyos rangos de variacin no pueden exceder losrangos especificados segn la norma tcnica deseguridad y calidad de servicio.

En particular, las unidades de micro generacintienden a elevar los niveles de voltaje no slo en lared de baja tensin, sino que tambin en mediatensin. Los niveles de variacin dependern de lacantidad de potencia generada y del nivel de cargaen la red [13]

Para bajos niveles de carga, los voltajes puedenllegar a ser ms altos que el superior permitido, ycon ello provocar la desconexin de la unidadgeneradora.

Por otra parte, las variaciones de tensin ensistemas de distribucin normalmente se atribuyen acambios en el nivel de carga. La disminucin de lademanda provoca aumentos de tensin que en laactualidad son compensadas a travs de

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transformadores con cambiador de taps en el nivelde media tensin.

Este es un punto que se debe tomar en cuenta alinstalar generacin en la red de baja tensin.

Componentes Armnicas:

Como se ha mostrado en captulos anteriores,algunas tecnologas de generacin requieren deinterfaces con electrnica de potencia (conversoresDC-DC, DC-AC,etc.)para conectarse a la red. Estos dispositivos altener componentes no lineales (diodos, tiristores)contribuyen a la formacin corrientes armnicas defrecuencias superiores o inferiores a las de la red[13].

Las armnicas de corriente provocadas por unacarga no lineal se transforman en armnicas detensin en los sistemas de distribucin. Esto puedegenerar diversos efectos, tales como prdidasadicionales en lneas y transformadores, deterioro eincluso destruccin de condensadores decompensacin de reactivos, si existieran.

Desbalance de Voltajes

La conexin de unidades generadoras monofsicas

en forma aleatoria a lo largo de la red dedistribucin puede causar desbalances de voltaje.

En sistemas de distribucin sin conexin de microgeneracin, se tienen desbalances de voltajemenores al 3% de desviacin con respecto alpromedio. Esta cifra podra aumentar hasta 5%debido a la conexin desbalanceada de microunidades de generacin.

Aumento en Niveles de Cortocircuito:

La conexin de unidades generadoras en redes debaja tensin puede provocar un cambio en losniveles de cortocircuito, dependiendo del tipo degenerador.

Para el caso de generadores de corriente continua,como es el caso de sistemas fotovoltaicos y celdasde combustible, el aporte a la capacidad decortocircuito es despreciable.

Estudios han confirmado que estos dispositivos, altener una interfaz de conversin DC/AC limitanteen corriente pueden realizar un aporte nulo al nivelde corto circuito del sistema[14].

La posible contribucin a niveles de cortocircuito

puede provenir de maquinas de induccin, talescomo pequeos generadores elicos o pequeasturbinas hidrulicas.

XII. CONCLUSIONES

Se comprendi que la micro generacin ofrecemuchas oportunidades para aportar al suministro desistemas elctricos teniendo en cuenta lastecnologas disponibles en el mercado, se observaque algunos tipos de micro generacin tales comolos sistemas fotovoltaicos y pequeos generadores

elicos su incorporacin a sistemas elctricos depotencia, y en especfico, a aplicaciones de bajatensin, el aumento de micro generacin provoca uncambio en los perfiles de tensin a lo largo delalimentador, mejorando las caractersticasconsiderablemente en la mayora de los nodos ydisminuyendo las prdidas a travs del alimentador.

REFERENCIAS

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[18] ATLAS ELICO ECUADOR MEER 2013

Autor

Mario Fernando Tituaa De La Vega. Estudiante de la EscuelaPolitcnica Salesiana.