Tecnologías complementarias a la energía solar (II): Redes eléctricas inteligentes

I. Introducción

El estudio pretende resumir, de forma breve, la situación actual de los principales criterios asociados a las redes inteligentes. No existe una definición única de lo que significa una red inteligente (RI). La más simple afirma que es una red eléctrica automatizada capaz de almacenar, comunicarse y tomar decisiones. Una definición más completa, tomada del US Energy DepartmentUS Dept. of Energy, https://www.smartgrid.gov/the_smart_grid/smart_grid.html , indica que es «una modernización de la red eléctrica que monitorea, aumenta la resiliencia a las alteraciones y optimiza de forma automática la operación de los componentes interconectados en el sistema, comenzando en las unidades generadoras centrales y distribuyendo la generación mediante redes de transmisión hasta los centros de carga».

Quizás su característica principal es que las RI permiten el flujo de energía e información en dos sentidos: de la fuente al consumidor y viceversa. Una tercera definición apunta a que es «una red moderna que adopta flujos bidireccionales de energía, usando la comunicación en dos sentidos y el control de técnicas que conducen a un amplio intervalo de nuevas aplicaciones y funciones», algo muy diferente a las redes actuales donde el flujo tiene lugar en un solo sentido, desde los centros de generación hasta los centros de demanda (Falvo et. al., 2013Falvo, M.C., Martirano, L., Sbordone, D. y Bocci, E. (2013). Technologies for smart grids: A brief review. IEEE Xplore. 12th International Conference on Environment and Electrical Engineering. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6549544, DOI https://doi.org/10.1109/EEEIC.2013.6549544. Consultado marzo 2023.; Malik y Lehtonen, 2016Malik, F.H. y Lehtonen M. (2016). A review: Agents in smart grids. Electric Power Systems Research, 131, pp. 71-79. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2015.10.004. Consultado marzo 2023.; Kakran y Chanana, 2018Kakran, S. y Chanana, S. (2018). Smart operations of smart grids integrated with distributed generation: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 81(1), pp. 524-535.; Gandoman et. al., 2018Gandoman, F.H., Ahmadi, A., Sharaf, A.M., Pierluigi, S. et. al. (2018). Renewable and Sustainable Energy Reviews, 82(1), pp. 502-514. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.09.062.).

La implantación de las RI posibilita una serie de ventajas sobre las redes convencionales, por ejemplo:

II. Desarrollo y discusión

Una red inteligente debe ser capaz de integrar, por sí misma y en el momento oportuno, la energía proveniente de fuentes alternativas y turnarlas con la proveniente de otras fuentes de ser necesario. La Figura 1 muestra el esquema general de funcionamiento de una red eléctrica convencional, mientras que en la Tabla 1 aparece una comparación de las principales características de las redes convencionales y las inteligentes (Alotaibi et. al., 2020Alotaibi, I., Abido, M.A., Khalid, M. y Savkin, A.V. (2020). A Comprehensive Review of Recent Advances in Smart Grids: A Sustainable Future with Renewable Energy Resources. Energies 13, 6269; doi:10.3390/en13236269.).

Algunos opinan que la implantación de las RI contribuirá indirectamente a reducir la contaminación ambiental. Por ejemplo, supongamos que en un campo de molinos de viento la velocidad de la brisa cae a niveles muy bajos, o que sobre una gran instalación de celdas solares aparecen nubes de tormenta bloqueando la luz. Los sistemas actuales detectarían la caída de potencia e incrementarían la energía entregada desde otras fuentes de inicio rápido, por ejemplo, una termoeléctrica de gas natural. Esta última genera CO₂ y contribuye al calentamiento global. Por el contrario, una red inteligente podría tratar de reducir la demanda de inmediato, enviando una señal a los metrocontadores de consumidores seleccionados de antemano. Esos consumidores, a cambio de una reducción de las tarifas, permitirían que la red desconecte algunos de sus equipos para regular el consumo durante la caída de potencia. En cuestión de segundos, equipos comerciales de climatización pasarían automáticamente a un régimen de menor consumo variando la temperatura, solo unos pocos grados, o los sistemas de calefacción se desconectarían unos pocos minutos. Si la interrupción no es muy prolongada, no habría necesidad de incrementar el consumo de gas natural y la correspondiente emisión de CO₂ para mantener el servicio.

Una ventaja adicional es que el continuo monitoreo y la automatización de los sistemas permitirá reducir las interrupciones. Los problemas se podrán detectar y resolver antes que lleguen a ser críticos, minimizando los daños y el perjuicio causado a la red y a los consumidores.

La idea general, detrás del concepto de red inteligente, es implementar medidas que funcionen tanto en los sistemas de contribución como en forma directa al consumidor, sea este grande o pequeño. Una de las principales medidas propuestas es la implantación de metrocontadores inteligentes, que reciben señales de la planta eléctrica para incrementar automáticamente la factura en el horario pico y reducirla fuera de ese horario. Así se tiende a limitar el consumo en los momentos que resulta más problemático para la red (Figura 2).

Una variante simplificada consiste en incluir un reloj dentro del metrocontador, de manera que se registre una mayor factura en las horas pico. Este sistema es más gravoso para el consumidor, pues la demanda no tiene que ser la misma en los días festivos que en los laborables; no obstante, algunos proveedores ya lo vienen utilizando desde hace años. Otra medida propuesta es la de facilitar a cada cliente información continua sobre su consumo en la pantalla de algún monitor o display y no solo una vez al mes como ocurre actualmente. Se supone que si el consumidor está al tanto de sus gastos, podrá tomar medidas oportunas sin esperar a fin de mes.

Una tercera medida es la adición de circuitos simples a la red interna de la vivienda o empresa con el fin de controlar el gasto de equipos de alto consumo (climatizadores, bombas de agua en piscinas, sistemas de calefacción y refrigeración). Así se podría posponer para horarios fuera del pico eléctrico el lavado de la ropa o la vajilla y sería posible la desconexión de determinados equipos cuando sea oportuno, sin causar daños ni serios inconvenientes al consumidor.

En la actualidad ya existen versiones industriales que regulan el bombeo de piscinas, calentadores y sistemas de climatización, controlados directamente desde alguna subestación eléctrica.

Una medida adicional es la automatización de la lectura de los metrocontadores sin necesidad de que un cobrador visite la fábrica o la vivienda cada mes. Se puede hacer de diversas formas: a través de la propia línea eléctrica, mediante una señal que rebota en la subestación o el transformador y de ahí va a la planta eléctrica por alguna vía adicional, mediante una señal local de radio o utilizando algún vehículo que recorra el vecindario y obtenga por radio la lectura de cada metrocontador de forma individual. Ya existen redes comerciales que emplean algunos de estos sistemas que, aunque tienden a eliminar puestos de trabajo, son ventajosos para el proveedor desde el punto de vista económico.

Diversas empresas dedicadas al estudio de las energías renovables también apuntan al desarrollo futuro de las tecnologías de almacenamiento de energía (Reuters, 2022Reuters (2022). Paid for and posted by Shell Energy. 3 renewable energy trends for 2023 and beyond. https://www.reuters.com/article/sponsored/shell-energy-renewable-energy-trends-2023. Consultado enero 2023.; ICL, 2023ICL (2023). Top Energy Trends to Watch Closely in 2023. https://www.icl-group.com/blog/renewable-energy-trends-solutions-2023/. Consultado enero 2023.). Señalan que cuando se usan combustibles fósiles como fuente, se puede producir energía sin la preocupación de tomar en cuenta los caprichos de la naturaleza. Pero con las energías fotovoltaica y eólica es diferente, ya que el sol se oculta cada noche y el viento no sopla en todo momento y es imprescindible almacenar la energía sobrante para cuando escasea. Además, señalan una estrecha relación entre el almacenamiento de la energía y el desarrollo de las redes eléctricas inteligentes; al parecer, ambos desarrollos avanzan conjuntamente y no es posible separarlos.

Se señalan como principales tendencias para los próximos años el desarrollo de las energías hidráulica, solar, eólica, los diversos sistemas de almacenamiento de energía y las redes inteligentes (Figura 3). Aunque también es tendencia la generación de hidrógeno por electrólisis como fuente de energía para vehículos de transporte, en realidad no se puede considerar como una fuente de energía renovable que se sume a otras como la eólica o la solar, pues para adquirir el hidrógeno es necesario gastar energía proveniente de alguna otra fuente, sea esta renovable o no (Nissan, 2022Nissan (2022). How Do Electric Cars Work? Nissan USA. https://www.nissanusa.com/experience-nissan/news-and-events/how-do-electric-cars-work.html. Consultado abril 2023.; Moreno et. al., 2020Moreno Constante, A., Beltrán Ruiz, J. y Borja Soto, D. (2020). Automóviles Impulsados por Energía Solar: Una Revisión. Inv. Tecnológica IST Central Técnico, 2(2), http://www.investigacionistct.ec/ojs/index.php/investigacion_tecnologica/article/view/87. Consultado febrero 2023.).

En el presente, además de las baterías, se investigan otros sistemas de almacenamiento aptos para ser utilizados en combinación con las redes inteligentes (Feng y Qing, 2015Feng, P. y Qing, W. (2015). Redox Species of Redox Flow Batteries: A Review. Molecules. 20(11): pp. 20499-20517. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6332057/, Consultado febrero 2023. ; Xu et. al., 2018Xu, Q., Ji, Y.N., Qin, L.Y., Leung, P.K., Qiao, F., Li, Y.S. y Su, H.N. (2018). Evaluation of redox flow batteries goes beyond round-trip efficiency: A technical review. Journal of Energy Storage. 16, pp. 108-116. https://doi.org/10.1016%2Fj.est.2018.01.005. Consultado marzo 2023.). Dos de ellos son el almacenamiento mecánico, mediante aire comprimido en tanques a alta presión, y el almacenamiento térmico (Reed et. al., 2018Reed S., Sugo H. y Kisi E. (2018). High temperature thermal storage materials with high energy density and conductivity. Solar Energy, 163, pp. 307-314. https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.02.005 Get rights and content. Consultado marzo 2023.; Reed et. al., 2019Reed, S., Sugo, H., Kisi, E. y Richardson, P. (2019). Extended thermal cycling of miscibility gap alloy high temperature thermal storage materials. Solar Energy 185, pp. 333-340. https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.04.075 Get rights and content, Consultado marzo 2023.; MGAMGA Thermal, (s/a) Introducing the MGA Block. https://www.mgathermalstorage.com/about. Consultado marzo 2023.).

En el almacenamiento mecánico se emplea electricidad para comprimir aire, proceso que genera calor. Ese calor se puede usar como calefacción o para otros usos. Cuando el aire comprimido se expande puede hacer girar una turbina y generar electricidad. Durante la expansión, el aire se enfría y también se puede aprovechar como agente refrigerante.

Para investigar el almacenamiento térmico, una compañía australiana ha introducido, de forma experimental, un sistema de grandes bloques de dos componentes: uno de ellos de alto punto de fusión (A) y el otro de bajo punto de fusión (B) disperso en forma de burbujas dentro del primero (Aleación de Gap de Miscibilidad). Al consumir electricidad para fundir el componente B, el bloque almacena energía en forma de calor de fusión de B sin que cambie la forma del bloque. Este es un proceso que ocurre a temperatura esencialmente constante mientras se funde el componente B. Cuando la temperatura se reduce por debajo del punto de fusión de B, la energía almacenada se libera del bloque y se puede emplear para generar vapor y electricidad haciendo girar una turbina.

III. Conclusiones

La idea general detrás del concepto de red inteligente es implementar medidas que permitan, por un lado, una mayor eficiencia en la distribución de la energía eléctrica y, por otro, que funcionen tanto en los sistemas que generan la energía como en quienes la consumen, sean estos grandes o pequeños consumidores. En la actualidad se presta especial atención a la integración de las redes con los diversos tipos de fuentes renovables y con los sistemas adecuados de almacenamiento de energía.