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Evolución de las energías renovables y las smart grid

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La importancia de las energías renovables, así como los sistemas de gestión inteligentes de energía, representan las piezas clave para asegurar un suministro de energía seguro, económico, sostenible y con cero emisiones de CO2 a la atmósfera. Es un artículo de Marcos Ponce Jara, profesor en la Universidad Laica Eloy Alfaro de Manta (ULEAM), Ecuador, y Manuel Castro, profesor de la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED), España.
Evolución de las energías renovables y las smart grid

Los combustibles fósiles no renovables (petróleo, gas, carbón) son los responsables del crecimiento económico, así como de las rápidas transformaciones que han experimentado las ciudades durante las últimas décadas. No obstante, también son los responsables de la emisión a la atmósfera de cantidades ingentes de gases de efecto invernadero, además de ser los desencadenantes del modelo urbanístico actual (ciudades difusas conviviendo con ciudades tradicionalmente compactas), donde el automóvil se posiciona como eje transversal de las movilizaciones urbanas e interurbanas. Por otro lado, la generación de electricidad, a pesar de cumplir con las expectativas actuales, necesita ser renovada para cumplir con las necesidades futuras de generación y distribución de la misma.

Gestión inteligente de la energía (smart grid)
De una forma generalista, se entiende por red eléctrica el conjunto de líneas, transformadores e infraestructuras que llevan la energía eléctrica desde los centros de producción hasta todos los consumidores. Estas redes son las encargadas de transportar y distribuir la electricidad generada en las centrales (ya sean las tradicionales nucleares, hidráulicas, de carbón o las más recientes de ciclo combinado o renovables) hasta los puntos de consumo final.

Los inconvenientes encontrados en el sistema eléctrico actual, tienen que ver con el modo en que fluye la energía. Es decir, el modelo centralizado en el cual la energía solamente fluye en una dirección y en los problemas de almacenamiento de la energía en grandes cantidades, lo cual hace necesaria una regulación constante entre la generación y el consumo, complicando el funcionamiento del mismo.

Este hecho está haciendo que aparezca un nuevo concepto de red eléctrica, las redes eléctricas inteligentes. Según The European Technology Platform, una smart grid es aquella que puede integrar de manera inteligente el comportamiento y las acciones de todos los actores conectados a ellas, es decir, quienes generan electricidad y quienes la consumen, para proporcionar un suministro seguro, económico y sostenible.

La evolución del sistema eléctrico actual hacia las smart grid, representa un cambio hacia un sistema descentralizado (soporta el flujo de energía bidireccionalmente) y de generación distribuida, donde los usuarios finales o cualquier agente que esté conectado a la red pasa a ser un ente activo con los mercados, incluyendo elementos como el “smart metering” o medición inteligente, la gestión de la información y comunicación (TIC), las energías renovables y distribuidas, la gestión activa de la energía en el hogar y la integración de nuevas demandas como el vehículo eléctrico.

Junto con el concepto smart grid, han surgido alternativas complementarias a esta idea como son las microrredes o microgrids, en las cuales la energía se produce, transmite, consume, monitoriza y gestiona a nivel local como parques empresariales, universidades, pero también podrían ser vecindarios o urbanizaciones, y que lógicamente tendrían una integración con la red funcionando de forma aislada o conectadas a la red.

La generación distribuida (GD), dentro de este sistema, es un concepto emergente, así como un nuevo paradigma para producir energía de calidad y manera confiable en el lugar de consumo. Este concepto es particularmente interesante cuando están disponibles diferentes tipos de recursos energéticos como la energía fotovoltaica o la energía eólica, así como sistemas convencionales de producción de energía permitiendo la integración de cada uno de estos sistemas en el sistema eléctrico general.

En este sentido, las turbinas eólicas son una de las tecnologías renovables que más impacto están teniendo en la actualidad. Empezaron a implantarse en los 80 con una producción de unas pocas decenas de kW por aerogenerador, teniendo por tanto muy poco impacto en los sistemas de control de energía. Hoy en día, debido a su tamaño y su capacidad de producción, juegan papel activo en las operaciones de la red eléctrica.

Interactividad del usuario
Históricamente las interacciones del cliente en la gestión de su propio consumo de energía se han limitado al control voluntario de la demanda y a programas de control directo de carga, como por ejemplo el cambio de bombillas de menor consumo. Con la introducción de smart grid será posible que los usuarios o dispositivos instalados en el lado del cierre del cliente tomen decisiones para controlar la demanda, y que de esta manera se adapten mejor a las necesidades tanto de la red como del propio cliente.

En definitiva, lo que se busca desde el operador del sistema eléctrico es poder aplanar la curva de la demanda para obtener una mayor racionalización, planificación y abaratamiento de la energía. En la figura se presentan los cuatro grandes grupos sobre los que se trabaja.

Medidas de Gestión de la Demanda

Advanced metering infrastructure
La infraestructura de medición avanzada o advanced metering infrastructure (AMI) apuesta por la incorporación de nuevas redes de comunicaciones y sistemas de base de datos, que proporcionarán beneficios importantes tanto a las compañías eléctricas como a los consumidores. AMI consiste en un sistema de comunicación bidireccional que involucra medidores "inteligentes" y otros dispositivos de gestión de la energía. Esto permite a las empresas responder más rápidamente a los posibles problemas, los servicios de conexión/desconexión, y comunicar en tiempo real los precios de la electricidad, entre otras funciones.

Este tipo de sistemas podría reducir de manera importante las emisiones de CO2 producidas, por ejemplo, por la iluminación. Es bien sabido que este sector tiene un elevado potencial de ahorro de energía ya que solamente debido a esto se consumen más de 200 TWh de electricidad globalmente, lo cual corresponde con unos 1.800 millones de toneladas de CO2 por año.

Además, la aplicación del concepto AMI, supone una oportunidad para desarrollar un sistema de facturación más complejo, que traslade mejor los costes de la energía a las tarifas aplicadas al consumidor, teniendo así en cuenta el momento del día (si es un pico o valle de consumo) y la distribución de la demanda a lo largo de este. Con este tipo de servicios, por ejemplo, las lecturas de los contadores pueden pasar de ser una vez al mes, a leerse cada 15 minutos, con lo que será más sencillo ajustar el autoconsumo, adecuar tarifas y, en general, mejorar la eficiencia ofreciendo incentivos para reducir el total del consumo de energía durante las horas pico.

Las energías renovables en las smart grid
Un manejo más sostenible del medio ambiente, junto con el deseo de realizar una mejor utilización de los recursos energéticos renovables son unos de los objetivos más importantes a la hora de desplegar las redes de gestión inteligente. A nivel industrial la energía solar y eólica están siendo conectadas a la red como parte de un esfuerzo mundial por reducir los efectos de las emisiones de CO2 a la atmósfera. No obstante, este despliegue se presenta como uno de los mayores retos en términos de operación del sistema, debido sobre todo a la impredecible naturaleza de este tipo de energías.

En este sentido, la energía solar, eólica y otras energías renovables, las cuales se encuentran desigualmente distribuidas geográficamente, son vulnerables a las variaciones climáticas y por tanto conllevan a fluctuaciones intermitentes. De esta manera, la inestabilidad de las energías renovables afectará la red eléctrica con fluctuaciones de voltaje, cambios de corriente y frecuencia. No obstante, con la introducción de las smart grid con sistemas de sensores, comunicaciones y toma de decisiones, proporcionará automáticamente y de forma eficiente información de la red eléctrica para proporcionar acceso seguro a las plantas de generación de energía renovable en las redes tradicionales.

Sistemas de movilidad sostenible
La problemática entorno al consumo energético en la movilidad es un tema de plena importancia en la actualidad, sobre todo debido a que el binomio velocidad-distancia ha permitido que la “distancia tecnológica” entre dos puntos sustituya a la geográfica. Las ciudades difusas han acentuado este hecho, y es razonable pensar que su sustentación peligra en el instante preciso en que alguno de los combustibles fósiles manifieste su limitación. Siguiendo esta línea y con el objetivo de mitigar los efectos de contaminación ambiental así como la dependencia de combustibles fósiles, las nuevas líneas de investigación van encaminadas al vehículo eléctrico (VE) y el vehículo propulsado por hidrogeno.

Por un lado, el hidrógeno es visto hoy en día como una de las alternativas más prometedoras para propulsar los vehículos del futuro. Una vez extraído, este puede sustituir sin ningún inconveniente a los combustibles fósiles tradicionales en todas sus aplicaciones. Entre los inconvenientes a resolver antes que el hidrógeno esté disponible para propulsar los vehículos se encuentran los relacionados con la generación, almacenamiento y distribución.

Hay que tener presente que el hidrógeno no es una fuente de energía, si no un portador de la misma. Es decir este no se encuentra libre en la naturaleza, sino que se tiene que extraer de otros elementos que lo contienen y como es lógico se necesita energía para extraerlo. Actualmente, el principal sistema de producción del hidrógeno se realiza a partir del reformado en fase vapor del gas natural, debido a su reducido coste. Este sistema no constituye una apuesta de fututo, principalmente por sus respectivas emisiones de CO2 y por estar sujeto a posibles inconvenientes de escasez del mismo.

Una de las soluciones planteadas a estos problemas, consiste en estaciones de repostaje in situ. Para su diseño se sugiere la producción de hidrógeno a través de la energía eólica, la cual trabajaría con electrolisis de baja temperatura. No obstante, pese a la madurez de ambas tecnologías, no se puede pensar en una producción masiva de hidrógeno a partir de la energía eólica, puesto que asumiendo una eficiencia de 50% para una pila de combustible de baja temperatura y un poder calorífico de 3 kWh/Nm3 para el hidrógeno, solo se recuperaría aproximadamente un 43% de la energía eléctrica generada por la energía eólica. En la ilustración de inicio se muestra una posible configuración de una planta de hidrólisis de unos de los fabricantes de esta tecnología (Hidrogenic).

Si bien el resultado anterior claramente no resulta adecuado para la producción de hidrógeno, resulta también dudoso como técnica de almacenar en forma de hidrógeno la energía producida en horas valle para vender más tarde la electricidad generada por las pilas de combustible. Esta tecnología solo sería viable si la tecnología de electrolizadores y pilas de combustible consiguen reducir costes, de manera que en inversiones el sistema de hidrógeno fuese competitivo con el hidráulico; con lo cual el primero podría ser más interesante al ser mucho más compacto y requerir menos mantenimiento.

Por otro lado, seguramente los VE empezarán a dominar las calles mucho antes que los coches propulsados por hidrógeno, debido sobre todo a las relativas facilidades existentes para su implantación. De hecho, hoy en día ya es posible ver alguno de estos vehículos circulando en nuestras ciudades, sobre todo gracias a acuerdos municipales para la implantación paulatina de estos vehículos en el sistema.

Los VE ofrecerán un alto rendimiento, seguridad y versatilidad, ya que por un lado, estos podrán ser cargados directamente de la red eléctrica ofreciendo a la vez un bajo coste de carga en el hogar, y por otro, ofrecerán un nuevo concepto llamado V2G (vehicle-to-grid), el cual podría actuar como almacenador de energía (a través de las baterías) para proporcionar electricidad a la red en horas pico o cuando sea necesario, ayudando de esta manera a solucionar dificultades asociadas con la naturaleza intermitente de las energías renovables. No obstante se presentan muchos retos por delante en lo referente a la autonomía, métodos de carga, sistemas inteligentes de gestión de carga para no saturar la red, entre otros.

Una de las soluciones para la carga de vehículos con cero emisiones es la energía eólica o una mezcla de esta con la energía solar (las dos por separado ofrecen muchas fluctuaciones). Esta podría ser la primera fuente y la más indicada para suministrar electricidad a los VE; toda energía excedente y no necesaria podría ser utilizada para el sector de la generación de energía eléctrica de uso domestico o industrial.

Otro de los grandes retos de los VE es el incremento de carga de una batería, así como la movilidad y los ciclos de carga, la vida útil y su coste. Actualmente, por lo general, la recarga de una batería se realiza mediante la red convencional y requiere aproximadamente un tiempo de 8 horas. Por otro lado están las cargas ultra rápidas que se realizan en un periodo entre 10 a 30 min. El tipo de recarga denominada estándar (8 h), permitirá una inicial introducción del VE e igualmente será mayoritaria si se regula la recarga.

De esta manera, ligado con lo anterior, parece evidente que la implantación de áreas de recarga será una prioridad en los próximos años, para de esta manera hacer frente a la demanda energética que se producirá a medida que aumente la demanda de este tipo de vehículos. Pero ¿cuál será la nueva demanda que se generará con la introducción de los VE? Y ¿será la red eléctrica capaz de soportar dicha demanda?

A nivel español, de manera bastante regular, la demanda del sistema está comprendida entre 22.000 y 45.000 MW con grandes diferencias entre la máxima demanda y las horas valle. En el 2011 se aprobó en España el Real Decreto 647/2011, el cual introduce una tarifa súper-valle para fomentar la recarga del VE en las horas de menor demanda energética. El real decreto reforma la ley 54/1997, del 27 de noviembre, del Sector Eléctrico, para incluir en el marco normativo de dicho sector un nuevo sujeto, los gestores de carga del sistema, que prestarán servicio de recarga de electricidad, necesarios para un rápido desarrollo del vehículo eléctrico.

En este escenario, el creciente interés por los vehículos eléctricos impulsa la posibilidad de aplanar la curva de la carga, además de aumentar la penetración de las energías renovables, en la línea con el objetivo de la Directiva Europea 2009/28/CE que determina que la cuota de energía procedente de energías renovables en todos los tipos de transporte en el 2020 sea como mínimo equivalente al 10% de su consumo final de energía en el transporte. Las smart grid aportarían una mayor eficiencia y operatividad al sistema, y permitiría una mejor integración de las renovables. Según Red Eléctrica de España, considerando un escenario de recarga valle con gestión inteligente se podría introducir 6,5 millones de VE al sistema eléctrico español actual, sin ninguna inversión en activos de generación y transporte.

Integración del Vehículo Eléctrico

En la figura se observan los posibles escenarios de carga de un VE. Obviamente el primer caso (demanda en horas punta) se tendría que evitar; en el segundo caso, la demanda en horas valle supondría la generación de nuevos picos de demanda sin un sistema de gestión de la energía; el tercer caso supondría el escenario deseado con la introducción de las smart grid al sistema.

Conclusiones
El tipo de energía que usamos hoy en día, principalmente combustibles fósiles no renovables, están creando una serie de problemas medioambientales que ponen en serio peligro el equilibrio del planeta. Como parte de este proceso, y con el objetivo de paliar estos efectos, las nuevas tendencias en investigación están enfocadas a los vehículos eléctricos y los vehículos propulsados por hidrogeno.

Como parte de este proceso las smart grid juegan un papel fundamental como medio para gestionar e integrar de manera eficiente la generación, distribución y consumo de la energía, y reducir de esta manera las emisiones de CO2 a la atmósfera. La inclusión de las energías renovables dentro de este sistema, juega un papel fundamental para la generación de electricidad con cero emisiones de gases de efecto invernadero.

Los principales métodos de carga propuestos, tanto para el VE como para el vehículo propulsado por hidrogeno, proponen el uso de la energía eólica y/o la energía solar para tal efecto. En este sentido, la energía eólica es la que posee la mejor relación coste-eficiencia y la que más crece anualmente. No obstante, este proceso será posible en la medida que el costo del kW/h producido por los aerogeneradores sea competitivo con el generado por las plantas de generación tradicionales.

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