Unamicrogrid,[1] también llamadamicrorred, es un grupo descentralizado de fuentes de electricidad y cargas que normalmente funciona conectado y sincrónico con lared síncrona tradicional de área amplia (macrorred), pero que puede desconectarse de la red interconectada y funcionar de forma autónoma en "modo isla",[2] según lo dicten las condiciones técnicas o económicas. De esta manera, lasmicrorredes mejoran la seguridad del suministro dentro de la celda de la microrred y pueden suministrar energía de emergencia, cambiando entre los modos de isla y conectado.[3]
El Grupo de Microrredes del Departamento de Energía de los Estados Unidos define unamicrorred o microgrid como un grupo de cargas interconectadas y recursos energéticos distribuidos (DER) dentro de límites eléctricos definidos que actúan como una entidad única controlable con respecto a lared. Además tiene la posibilidad de conectarse y desconectarse de la red para permitir que funcione tanto en modo conectado como en modo isla.[4]
La UE[5] describe unamicrorred omicrogrid como aquella que comprende sistemas de distribución de baja tensión (BT) con recursos energéticos distribuidos (DER) ( microturbinas, pilas de combustible...), dispositivos dealmacenamiento de energía (baterías, volantes) y cargas flexibles. También coinciden en que pueden funcionar conectados o desconectados de la red principal. Todo esto proporciona beneficios para el rendimiento general del sistema, si se administra y coordina de manera eficiente.[6]
Electropedia define unamicrorred omicrogrid como un grupo de cargas interconectadas y recursos energéticos distribuidos con límites eléctricos definidos, que forman un sistema de energía eléctrica local a niveles de tensión de distribución, es decir, tanto de baja como de media tensión hasta 35 kV. Este grupo de nodos de consumidores y productores asociados actúa como una única entidad controlable y puede operar en modo de isla[7] o conectado a la red.[1] Su caso de uso más propio es en una aplicación fuera de la red, que se denominamicrogrid autónoma, independiente o aislada. Estasmicrorredes están mejor atendidas por fuentes de energía locales donde la transmisión y distribución de energía desde una importante fuente de energía centralizada es demasiado lejos y costosa de ejecutar.[8] Ofrecen una opción para la electrificación rural en áreas remotas y en islas geográficas más pequeñas. Como entidad controlable, puede integrar eficazmente varias fuentes de generación distribuida (GD), especialmente las fuentes deenergía renovable (RES).[8]
Son necesarias arquitecturas y herramientas para gestionar el flujo de energía de distintos tipos de fuentes hacia la red eléctrica. Por tanto, lamicrorgrid se puede clasificar en trestopologías:
En cuanto a lamicrogrid de tipo AC, las fuentes de energía con salida de CA se interconectan con el bus de CA a través del convertidor de CA / CA que transformará la frecuencia variable de CA y el voltaje en una forma de onda de CA con otra frecuencia a otro voltaje. Mientras que las fuentes de alimentación con salida CC utilizanconvertidores CC / CA para la conexión al bus CA.[9]
En la topología demicrogrid de CC, las fuentes de alimentación con salida de CC se conectan al bus de CC directamente o mediante convertidores CC / CC. Por otro lado, las fuentes de alimentación con salida AC se conectan al bus CC a través delconvertidor AC / CC.[9]
Lamicrogrid híbrida tiene una topología para la salida de CA y CC de lafuente de alimentación. Además, los buses de CA y CC están conectados entre sí a través de un convertidor bidireccional,[10] lo que permite que la energía fluya en ambas direcciones entre los dos buses.[9]
El enfoque de lasmicrorredes del campus consiste en agregar la generación existente en el sitio para soportar múltiples cargas ubicadas en un área geográfica estrecha,[11] donde un propietario puede administrarlas de forma fácil y rápida.[12]
Lasmicrorredes comunitarias pueden servir a miles de clientes y apoyar la integración de la energía local (electricidad, calefacción y refrigeración). Algunas casas pueden tener algunas fuentes renovables que pueden satisfacer su demanda, así como la de sus vecinos dentro de la misma comunidad. También puede tener almacenamientos de energía centralizados o distribuidos. Dichas microrredes pueden tener la forma de una microrred de CA y CC (tal y como está explicado en las tipologías) acopladas entre sí a través de un convertidor electrónico de potencia bidireccional.[13][14]
Estasmicrorredes nunca se conectan a lamacrorred y, en cambio, operan en modo isla en todo momento debido a problemas económicos o posición geográfica. Por lo general, unamicrogrid "fuera de la red" se construye en áreas que están muy lejos de cualquierinfraestructura de transmisión y distribución y, por lo tanto, no tienen conexión a la red de servicios públicos. Operar en un área remota que está dominada por fuentes renovables reducirá el costo nivelado de producción de electricidad durante la vida de tales proyectos demicrorredes.[15]
Variasmicrorredes independientes pueden abastecer grandes áreas remotas, cada una con un propietario diferente. Aunque estas microrredes están diseñadas para ser autosuficientes en energía, las fuentes renovables intermitentes y sus variaciones inesperadas pueden causar un déficit de energía inesperado o una generación excesiva en esasmicrorredes. Esto provocará una desviación no asumible devoltaje ofrecuencia en las microrredes. Para remediar tales situaciones, es posible interconectar talesmicrorredes provisionalmente a una otra cercana para intercambiar energía y mejorar las desviaciones de voltaje y frecuencia. Esto se puede conseguir mediante un interruptor basado en laelectrónica de potencia después de una sincronización adecuada de dos convertidores electrónicos de potencia. La determinación de la necesidad de interconectar las microrredes vecinas y encontrar lamicrogrid adecuada con la que acoplar se puede lograr mediante enfoques de optimización o toma de decisiones.[16]
Estasmicrorredes se están implementando activamente con un enfoque en la seguridad física ycibernética para instalaciones militares con el fin de garantizar una energía confiable sin depender de lamacrorred .[1][17]
Esta categoría demicrorredes está madurando rápidamente en América del Norte y Asia oriental, concretamente en las primeras potencias del mundo a nivel tecnológico; sin embargo, la falta de estándares la limita a nivel mundial, por eso Europa apenas ha experimentado aún con esta categoría de microrred.[18] La principal razón para la instalación de unamicrorred industrial se debe a la seguridad del suministro de energía. Hay muchos procesos de fabricación en los que una interrupción del suministro de energía puede causar grandes pérdidas de ingresos y un tiempo de puesta en marcha prolongado.[14] Lasmicrorredes industriales pueden diseñarse para suministrar procesos industriales deeconomía circular de casi emisión cero y pueden integrar la generación combinada de calor y energía (CHP), alimentada tanto por fuentes renovables como por procesamiento de residuos.[19][20]
Uno de los primeros componentes fundamentales para lamicrogrid son los diferentes tipos de fuentes de generación que suministran electricidad, calefacción y refrigeración al usuario. Estas fuentes se dividen en dos grupos principales:
El segundo componente fundamental de unamicrogrid consiste en el consumo, que se refiere simplemente a los elementos que usan electricidad, calor y refrigeración, que van desde los dispositivos individuales hasta los sistemas de iluminación y calefacción de edificios, centros comerciales, etc. En el caso de cargas controlables, el consumo eléctrico puede modificarse de acuerdo con a las demandas de lared.
Enmicrogrid, elalmacenamiento de energía puede realizar múltiples funciones, por eso es otro de sus componentes fundamentales:
Por otra parte, cuando se encuentran disponibles en unamicrogrid múltiples almacenamientos de energía con varias capacidades, se prefiere coordinar su carga y descarga de modo que un almacenamiento de energía más pequeño no se descargue más rápido que aquellos con mayores capacidades. Asimismo, se prefiere que uno más pequeño no se cargue por completo antes que los de mayor capacidad. Esto se puede lograr bajo un control coordinado de los depósitos de energía en función de su estado de carga. Si se utilizan múltiples sistemas de almacenamiento de energía (trabajando en distintas tecnologías) y están controlados por una unidad de supervisión única (un sistema degestión de energía) y un control jerárquico basado en una arquitectura maestro-esclavo puede garantizar las mejores operaciones.[21]
Por último tenemos el PCC que es el punto en el circuito eléctrico donde unamicrorred está conectada a una red principal. Además destacan una serie de microrredes que no tienen un PCC y que se denominan microrredes aisladas que generalmente están presentes en sitios remotos donde unainterconexión con la red principal no es factible debido a limitaciones técnicas o económicas.[20]
Unamicrogrid es capaz de operar en modo conectado a la red y autónomo y de manejar la transición entre ambos:
Lasmicrorredes ofrecen una opción para equilibrar la necesidad de reducir las emisiones decarbono con continuar proporcionando energía eléctrica confiable en períodos de tiempo en los que las fuentes de energía renovables no están disponibles. También ofrecen la seguridad de estar reforzadas por el clima severo y losdesastres naturales al no tener grandes activos y kilómetros de cables sobre el suelo y otra infraestructura eléctrica que deban ser mantenidos o reparados después de tales eventos.[22]
Además, puede cambiar entre estos dos modos debido a:
Mediante la modificación del flujo de energía a través de los componentes de lasmicrorredes, estas facilitan la integración de energías renovables, como las generacionesfotovoltaicas, eólicas y depilas de combustible, sin necesidad de rediseñar el sistema de distribución nacional. Los métodos de optimización modernos también se pueden incorporar al sistema de gestión de energía de lamicrogrid para mejorar la eficiencia y la economía.[23][24]
Lasmicrorredes, y la integración de las unidades DER, introducen una serie de desafíos operativos que deben abordarse en el diseño de los sistemas de control y protección, con el objetivo de garantizar que los niveles actuales de confiabilidad no se vean afectados y los beneficios de las unidades de Generación Distribuida (DG) están completamente aprovechadas. Algunos de estos desafíos surgen de supuestos que normalmente se aplican a los sistemas de distribución convencionales que ya no son válidos, mientras que otros son el resultado de problemas de estabilidad que antes solo se observaban a nivel delsistema de transmisión.[22] Los desafíos más relevantes en la protección y control demicrorredes incluyen:
Para planificar e instalar lasmicrorredes correctamente, es necesario un modelo de ingeniería. Existen múltiples herramientas de simulación y optimización para modelar los efectos económicos y eléctricos de lasmicrorredes. Una herramienta de optimización económica ampliamente utilizada es el Modelo de adopción del cliente de recursos energéticos distribuidos (DER-CAM) delLaboratorio Nacional Lawrence Berkeley.[26] Otro es el Homer Energy, diseñado por elLaboratorio Nacional de Energía Renovable. También hay algunas herramientas de diseño eléctrico y de flujo de energía que guían a los desarrolladores demicrorredes.[23] El Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico diseñó la herramienta GridLAB-D disponible públicamente y elInstituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) hizo lo mismo con OpenDSS. Una herramienta europea que se puede utilizar para la simulación de demanda de calor eléctrica, de refrigeración, de calefacción y de proceso es EnergyPLAN de laUniversidad de Aalborg en Dinamarca. La herramienta de planificación de redes de código abierto OnSSET se ha implementado para investigar las microrredes mediante un análisis de tres niveles que comienza con los arquetipos de asentamientos.[22]
Cabe destacar que el control y la protección son dificultades para lasmicrorredes, ya que todos los servicios auxiliares para la estabilización del sistema deben generarse dentro de lamicrogrid y los niveles bajos de cortocircuito pueden ser un desafío para la operación selectiva de los sistemas de protección. Una característica importante constituye, también, la proporción de múltiples necesidades deenergía útil, como calefacción y refrigeración además de electricidad, debido a que permite la sustitución de portadores de energía y una mayor eficiencia energética gracias al calor residual que tiene como objetivo la calefacción, el agua caliente y la refrigeración.[18]
Con respecto a la arquitectura de control demicrorredes, o cualquier problema de control, hay dos enfoques diferentes que se pueden identificar:
El Condado de Montgomery en Maryland (EE. UU.) realiza importantes avances en materia de sostenibilidad y seguridad energética mediante el uso demicrorredes que mejoran la resiliencia del condado, con el fin de mantener a sus habitantes seguros p proporcionar los servicios necesarios incluso en el caso de cortes de luz prolongados como los que está habiendo en varios municipios de China a finales del 2021. La solución Advanced Microgrid, deSchneider Electric y Duke Energy Renewables, instalada en la Sede de Seguridad Pública en Gaithersburg, ha recibido la máxima certificación PEER (Performance Excellence in Electricity Renewal). Han conseguido que el 33% del total del consumo proviene de energía solar, el 66% de un sistema de cogeneración local y la red de cableado es 100% subterránea.
Este proyecto forma parte de un otro mayor, que ha sido iniciado para implementar dosAdvanced Microgrids, una en el PSHQ y otra en la Instalación Correccional del Condado de Montgomery enBoyds, dos instalaciones que requieren acceso continuo a la energía para garantizar su seguridad y su integridad operacional.[29]
El proyecto delPNUD “Resiliencia rural mejorada en Yemen” utilizamicrorredes solares de propiedad comunitaria reduciendo los costos de energía en unos 2 centavos por hora. Ganó los Premios Ashden de Energía Humanitaria en 2020.[30][31]
Un programa piloto de dos años, llamado Harmon'Yeu, se inició en el 2020 durante los confinamientos de la pandemia delCoronavirus para interconectar 23 casas en el vecindario de Ker Pissot y áreas circundantes con unamicrogrid que se automatizó como una red inteligente con software deEngie. El proceso llevó a la instalación de 64paneles solares con una capacidad máxima de 23,7 kW en cinco casas y se instaló una batería con una capacidad de almacenamiento de 15 kWh en una casa. Seis casas almacenan el exceso de energía solar en sus calentadores de agua. Un sistema dinámico distribuye la energía proporcionada por los paneles solares y almacenada en la batería y los calentadores de agua al sistema de 23 casas. El software de red inteligente actualiza el suministro y la demanda de energía en intervalos de 5 minutos, decidiendo si extraer energía de la batería o de los paneles y cuándo almacenarla en los calentadores de agua. Este programa fue el primer proyecto de este tipo en Francia.[32]
Se instala unamicrorred administrada de forma inalámbrica en la zona rural de Les Anglais , Haití. El sistema consta de una arquitectura de tres niveles:
La pérdida no técnica representa un desafío importante cuando se proporciona un servicio eléctrico confiable en países en desarrollo, donde a menudo representa el 11-15% de la capacidad total de generación.[33] Una extensa simulación basada en datos en setenta y dos días de datos de medidores inalámbricos de unamicrorred de 430 hogares desplegada en Les Anglais investigó cómo distinguirlo, de las pérdidas totales de energía, ayudando en la detección de robo de energía.[34]
El Proyecto de Electricidad Mpeketoni, es un sistema demicrorred de energía diesel basado en la comunidad, que se estableció en la zona rural de Kenia cerca de Mpeketoni. Debido a la instalación de estasmicrorredes, Mpeketoni ha experimentado un gran crecimiento en su infraestructura. Dicho crecimiento incluye un aumento de la productividad por trabajador, en valores del 100% al 200%, y un aumento del nivel de ingresos del 20 al 70% según el producto.
Una micro-turbina, consta de una serie de componentes:
Todo esto habilitado para PV en Sonoma, California.[35]
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Datos:Q5762595
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