La colaboración en la red eléctrica permite nuevos niveles de uso de la energía

Por Jack Shandle, Mouser Electronics.

La inteligencia distribuida que ha caracterizado a la Red Inteligente puede lograr algo más que permitir la existencia de casas inteligentes y de ayudar a las compañías de suministro a distribuir la energía con mayor eficiencia. Estas dos ventajas bien conocidas se verán mejoradas por dos cambios revolucionarios que tienen lugar en los límites de la red eléctrica.
El primer cambio es que las grandes centrales basadas en combustibles fósiles que utilizan las compañías públicas de suministro para entregar energía a la red se verán disputadas por redes de generación de energía de menor tamaño – principalmente solares, en un principio – que aprovechan el intercambio colaborativo de energía.
Es de prever que el centro de estas redes colaborativas consistirá en agregadores de energía solar como Sunrun Corp., Solar City y la acertadamente denominada SunEdison, es decir, tres de las mayores compañías especializadas en la instalación, financiación y alquiler de instalaciones de energía solar en casas. Líderes de la tecnología de contadores inteligentes como Itron Corp. también desempeñarán un papel protagonista.
La agregación de energía solar exige inteligencia a todos los niveles, incluyendo los contadores inteligentes, pero también ha de incluir inversores solares que puedan contribuir a la tarea primordial de estimar cuánta energía se puede generar en un momento determinado y qué hacer con ella.
El segundo cambio consistirá en asumir – y explotar – la aparición de los vehículos eléctricos. A medida que haya más coches eléctricos, una consecuencia natural será que también haya más estaciones de carga de 240V en las casas, lo cual cambiará radicalmente el perfil de la carga del típico cliente residencial. La carga de los vehículos eléctricos también será más exigente para la capacidad de los sistemas de distribución de energía existentes. No obstante, bajo las circunstancias adecuadas también se pueden utilizar las baterías de los coches como recurso energético local. Se pueden diseñar adaptadores entre vehículo y vivienda para descargar su energía con el fin de suministrar energía a la vivienda si se produce una caída de tensión.

Redes colaborativas
La esencia de la red colaborativa es que las casas inteligentes se comuniquen entre sí para crear una comunidad, en oposición a que cada casa inteligente se comunique de manera independiente con la compañía de suministro. Los agregadores solares y otros suministradores locales de energía gestionan los recursos energéticos de la comunidad.
Potencialmente, podría participar cualquier entidad local con capacidad interna para producir energía: una empresa o parque empresarial, fábrica, universidad u hospital. La información se transmitirá no solo a través de la red eléctrica de suministro sino también utilizando redes sociales y, muy importante, el Internet de las Cosas.
Este escenario abre muchas oportunidades al diseño electrónico, como la supervisión de la energía a un nivel más granular y – en el otro extremo del modelo de negocio – la gestión de los aspectos financieros y empresariales del intercambio de energía a pequeña escala.
Es importante tanto para los consumidores como para los productores de energía medir y entender el flujo bidireccional de la energía y la información. Transacciones financieras como el aprovechamiento de créditos e incentivos para la generación de energía limpia, la modificación en el comportamiento y la reducción de emisiones de carbono se basarán fundamentalmente en la medida y la colaboración entre múltiples participantes.
En una red colaborativa, las compañías de suministro estarían en condiciones de identificar a los clientes que poseen paneles solares y a aquellos clientes que reúnen los requisitos de una “casa inteligente”. Por su parte, los clientes conocerían mejor los incentivos que pueda ofrecer la compañía de suministro y los beneficios que pueden obtener utilizando software para la automatización de la vivienda. A nivel local, las compañías de servicios energéticos estarán mejor preparadas para controlar la generación agregada de forma que podrían participar activamente en los mercados energéticos para los servicios de estabilización de la red. Los ahorros de coste derivados de la colaboración podrían llegar hasta los consumidores con una financiación más atractiva de la instalación de paneles solares.

Gestión cooperativa de la energía
Las medidas de alta precisión del flujo bidireccional de energía y la supervisión de tensión son necesarias para equipos de producción de energía como inversores solares y baterías/ almacenamiento de energía ya que ahora están directamente relacionadas con las transacciones del mercado. Los sensores y procesadores en estos productos deben ser de alta calidad, pero también han de seguir siendo relativamente baratos.
Por otro lado, el papel que desempeñan equipos como interruptores de control de carga, termostatos, bombas, calderas y electrodomésticos inteligentes ayudará a los colaboradores a entender el comportamiento cíclico de sus equipos y a proporcionar estimaciones de su consumo energético a lo largo del tiempo, como ocurre con los sistemas de climatización. Estos productos pueden funcionar bien con sensores que no exijan medir la facturación.
Aunque las redes colaborativas de energía empiezan ahora a despegar, las compañías del sector de semiconductores ya han desarrollado estrategias, ecosistemas y catálogos de productos que facilitan el diseño de redes colaborativas. En su mayor parte, los chips diseñados para la versión tradicional de la Red Inteligente y la casa inteligente funcionarán igual de bien en las redes colaborativas.

Los paneles solares constituyen el eje de las redes colaborativas ya que proporcionan el elemento básico: la energía. La conversión fotovoltaica ha recorrido un largo camino durante la pasada década, pero su uso como fuente de energía primaria para una comunidad hace que la fiabilidad y la previsibilidad sean fundamentales. La eficiencia de la energía solar depende de muchas variables, como la cantidad de luz solar disponible para su captación, la temperatura de los paneles solares y su máxima eficiencia teórica. Para los ingenieros de diseño, otro problema es que las células fotovoltaicas producen tensiones que varían de forma errática alrededor de medio voltio. Esto tiene numerosas implicaciones, como la elección de la topología de conversión de energía. Es posible, por ejemplo, que una tecnología de conversión de energía mal implementada consuma un elevado porcentaje de la energía fotovoltaica captada.
Para asumir el inconveniente de que el sol no brille durante las 24 horas del día, se necesitan baterías que suministren energía cuando los paneles no produzcan suficiente energía. Añadir baterías al sistema hace que sean necesarios los circuitos de conversión CC/CC. La gestión de la batería y los circuitos de supervisión también son necesarios para que las baterías se carguen eficientemente.
En las redes de distribución de energía, tanto colaborativas como tradicionales, la conexión entre los sistemas solares y la red eléctrica exige sincronización de fase y corrección del factor de potencia. También existen diversos entornos de utilización que exigen un control sofisticado. Por ejemplo, se debe disponer de previsión de fallos como protección frente a eventos como caídas de tensión y apagones.

Microinversores
Generalmente, los paneles solares montados en una instalación residencial tienen un solo inversor que básicamente gestiona la conversión de la CC no regulada procedente de todos los paneles solares del sistema en una CA de alta calidad que pueda usar el consumidor. El aspecto negativo de una topología de conversión con un solo inversor es significativo. Lo más llamativo es la cuestión de la fiabilidad: si el inversor funciona incorrectamente, le energía generada por los paneles se pierde hasta que el inversor haya sido reparado o sustituido. Las topologías de un solo inversor también ven limitada su eficiencia ya que cada panel tiene diferentes características de funcionamiento “promediadas” durante la conversión.
Los problemas de las topologías de un solo inversor se pueden solucionar utilizando un microinversor para cada panel solar. En muchas aplicaciones, el uso de la topología de microinversor puede mejorar significativamente la eficiencia total del sistema. La energía se sigue convirtiendo si un microinversor funciona mal. Por otro lado, las topologías de microinversor necesitan un microcontrolador dedicado y otros componentes para cada panel solar. Se pueden añadir más microcontroladores para mejorar la supervisión y para metrología.

Otra ventaja importante es la capacidad de ajustar los parámetros de conversión en cada panel para adaptarse a la cantidad de luz solar, sombra, lluvia y otras variables. Para manejar esta tarea, los microinversores suelen ejecutar sofisticados algoritmos denominados algoritmos de transición del punto de máxima potencia (maximum power point transition, MPPT). La necesidad de realizar estos cálculos pueden añadir otra función del microcontrolador: un núcleo DSP. Al nivel del panel, se puede lograr fácilmente un incremento del 30% de la eficiencia.
Las redes colaborativas requieren ciertamente comunicación entre paneles para mantener el equilibrio de cargas, así como permitir la planificación avanzada de la energía disponible, y qué hacer con ella. Dado que cada subsistema formará parte del Internet de las Cosas, el primer requisito de comunicación es el uso de protocolos de Internet.
Con el fin de simplificar la conexión con otros microinversores, el microcontrolador también debería integrar periféricos de comunicaciones como CAN, SPI y UART. También es importante que admita protocolos de comunicaciones a través de la línea eléctrica ya que de esta forma se eliminarían algunos de los cables dedicados a comunicación. Pero para ello hace falta incorporar al microcontrolador una capacidad PWM de altas prestaciones.
Las compañías de semiconductores cuentan con amplios catálogos de productos para diseños de microinversores. Freescale recomienda sus controladores de señal digital MC56F84xxx y sus microcontroladores Kinetis KV3x. Texas Instruments ofrece su kit de desarrollo de microinversores solares C2000 basado en el microcontrolador Piccolo TMS320F28035 de la propia compañía. Microchip Technology ofrece un diseño de referencia y herramientas de desarrollo para el desarrollo de microinversores.

Vivienda más inteligente, red más inteligente
Las redes colaborativas de energía basadas en la generación solar compartida con una red de suministro tradicional para soporte tienen muchas características comunes con la Red Inteligente. Los aparatos conectados a Internet y otros productos tan pequeños como las bombillas introducen su información en una red doméstica (Home Area Network, HAN) mediante ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi u otro protocolo inalámbrico. Una pasarela transporta la información agregada mediante un contador inteligente en el agregador solar, que ahora ocupa el lugar – al menos en parte – de la compañía de suministro.
Las aplicaciones avanzadas de energía aprovechan estos datos en eventos prácticos. Los datos medidos se almacenan en diversos formatos de datos de manera que se puedan usar en múltiples interfaces de comunicaciones. Para el consumidor, se están desarrollando aplicaciones descargables para extraer valor a partir de los datos medidos a nivel local. El cálculo local del consumo en un dispositivo proporciona a consumidores y compañías de suministro una orientación acerca del uso típico, así como la posibilidad de reducir la carga en caso de eventos de respuesta a la demanda. De forma parecida, el código de cálculo de tarifa puede estimar el coste de carga de una batería – también en vehículos eléctricos – o para conservación de energía. Todo esto ayuda a los consumidores a seleccionar la mejor tarifa en función del comportamiento de su consumo de energía.
En resumen, en la Red Inteligente están surgiendo redes colaborativas de energía que combinan uso de energía, generación y almacenamiento por parte de los consumidores finales. No obstante, las redes colaborativas exigen medidas y comunicaciones precisas, lo cual significa que la inteligencia y el control se deben extender hasta los múltiples participantes con el fin de crear un valor mutuo.

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