Fuente: generatorsource.com
El concepto de microrredes existe desde hace muchos años. Solo recientemente han ganado una tracción y una presión significativas, ya que muchos proyectos nuevos se hacen realidad y se están poniendo en producción. Bloom Energy informó recientemente que 500 nuevas microrredes están en proceso o se implementarán a partir de este año (2019) y los totales mundiales están en el rango de múltiples GW.
Básicamente, una microrred es un sistema de red eléctrica en miniatura que se configura para administrar los recursos de energía distribuidos y puede incluir energías renovables (solar, eólica y/o hidráulica) con otras fuentes no renovables (como generadores diésel, turbinas de gas, etc.). Estas microrredes suelen administrar las cargas de energía de múltiples sistemas de generación y también utilizan algún tipo de sistema de almacenamiento de energía. Trabajan y gestionan todo esto con diferentes tipos de software y sistemas de control. Se pueden configurar para operar en paralelo con una red eléctrica y también para funcionar en modo independiente durante emergencias o en función de necesidades específicas.
Fundamentos de Microrred - ¿Qué es una Microrred?
El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) define una microrred como "un grupo de cargas interconectadas y recursos de energía distribuidos dentro de límites eléctricos claramente definidos que actúa como una sola entidad controlable con respecto a la red. Una microrred puede conectarse y desconectarse de la red para permitirle operar tanto en modo grid como isla".
Además, el DOE sostiene que "las microrredes han sido identificadas como un componente clave de la red inteligente para mejorar la confiabilidad y la calidad de la energía, aumentando
eficiencia energética del sistema y brindando la posibilidad de independencia de la red a los sitios de usuarios finales individuales". Los beneficios de usar la tecnología de microrredes pueden ser:
- Se integra con la red y múltiples tecnologías de red inteligente
- Integración de energías distribuidas y renovables, reduciendo picos de carga
- Asegura que se suministre energía a los complejos con necesidades críticas de energía
Otras organizaciones definen las microrredes de manera similar, incluido el concepto de cargas múltiples y generación de islas. La generación insular es energía suministrada por generación eólica, solar, hidroeléctrica o diésel/GN.
La ilustración del primer gráfico es una microrred que utiliza energía de la red pública como fuente principal. El parque eólico y solar alimenta un banco de baterías para uso de emergencia cuando se pierde el suministro eléctrico. Ambos normalmente están conectados a la red para reducir los costos operativos de las instalaciones. Cuando se pierde la energía eléctrica, el complejo se cambia a la energía de la batería de la instalación eólica y solar. Los generadores arrancan y asumen la carga de las baterías. Los edificios del lado de la carga del circuito no experimentan ninguna fluctuación de energía debido al diseño de la red de distribución. Cuando se devuelve la energía de la red pública, la carga se devuelve al suministro de la red pública y los generadores de respaldo se apagan. Los parques eólicos y solares vuelven a su funcionamiento normal.
Muchos factores intervienen en el diseño y la construcción de una microrred. Los avances en las tecnologías de generación y distribución de energía permiten sistemas que reducen el consumo de energía, utilizan métodos de generación ecológicos y cumplen con los requisitos críticos de suministro de energía. La información básica para cada una de las fuentes de energía y los sistemas de control se describe a continuación. La construcción de esta microrred es ficticia pero modelada en concepto a partir de proyectos del DOE.
Energía de servicios públicos y cargas
Las microrredes más comunes utilizan la energía de la red pública suministrada por la compañía eléctrica local como suministro principal. Las microrredes ubicadas en lugares remotos pueden utilizar la generación hidroeléctrica como energía primaria o emplear plantas generadoras de combustibles fósiles como energía primaria.
Las centrales eléctricas generan electricidad de alto voltaje. Algunos usan transformadores elevadores para aumentar el voltaje para transferir a las subestaciones. Las subestaciones reciben tensión de las centrales eléctricas a través de líneas de alta tensión. Los voltajes se ajustan a los requisitos y se distribuyen a los clientes.
Los hospitales, las instituciones correccionales estatales y los centros de datos son algunas de las industrias que requieren una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS). Muchos tienen varios edificios que requieren energía constante. Algunos de los edificios pueden tener áreas que requieren una fuente de energía aislada debido a los requisitos de voltaje, amperaje y/o frecuencia.
Estas instalaciones consumen una gran cantidad de energía para realizar las operaciones normales del día a día. Reciben energía de líneas de alta tensión en una subestación dedicada al complejo. El voltaje se ajusta a los niveles deseados usando transformadores elevadores o reductores. Toda la energía se enruta a través de paneles de conmutación y control para su distribución en todos los edificios.
Cada edificio representa una carga eléctrica. Es posible tener más de una carga dedicada a un edificio. Un ejemplo de un punto de carga secundario en un edificio es un convertidor de frecuencia. Un pico de voltaje positivo y un pico de voltaje negativo equivalen a un ciclo (Hz). El suministro común es de 50 Hz o 60 Hz. Algunos equipos requieren una fuente de alimentación de 400 Hz para funcionar. Los convertidores de frecuencia cambian 50 Hz o 60 Hz a 400 Hz. Hay muchos otros ejemplos de puntos de carga secundarios en un edificio. En el diseño de microrred, todo se controla desde un único punto.
Energía del generador de respaldo y demanda máxima
Los generadores de respaldo suministran energía a la red cuando falla el suministro eléctrico. El generador se compone de un motor y un alternador (extremo del generador). Los motores de gas natural (NG) y diesel son el estándar de la industria. Los motores alimentados con gas natural pueden funcionar indefinidamente siempre que no se interrumpa el suministro de gas de servicios públicos. La energía de respaldo no está disponible cuando el suministro está asegurado.
Los generadores con motores de combustible diesel pueden funcionar cuando falla toda la infraestructura, incluido el suministro de gas natural. Los tanques principales de suministro de combustible deben monitorearse y reabastecerse cuando estén bajos. Los sistemas automatizados pueden notificar al operador cuando los niveles de los tanques están en un punto predeterminado para eliminar el apagado por falta de combustible.
Aplicaciones de generadores de interior
El motor, los sistemas de enfriamiento y los extremos del generador están montados en un patín fabricado con vigas de acero. El patín se monta en el piso del edificio. Los soportes de goma se utilizan en ubicaciones clave para reducir la vibración durante el funcionamiento.
Este generador de estilo no tiene tanques de combustible y requiere un suministro de combustible externo. Los tanques de combustible primarios grandes pueden abastecer a los tanques diarios. Deben tener instalado un sistema de escape y suministro de aire de refrigeración o un sistema de refrigeración del mercado de accesorios, como un intercambiador de calor (HEX).
Aplicaciones de generadores para exteriores
Los generadores que se usan al aire libre están montados en un gabinete resistente a la intemperie o resistente a la intemperie. Muchos gabinetes tienen atenuación de sonido para reducir el ruido de funcionamiento. El generador está montado sobre un patín en un tanque de combustible de doble pared. Estos generadores no tienen requisitos externos de combustible, escape o sistema de enfriamiento. Conecte los cables de alimentación de salida al generador y estará listo para asumir la carga.
Ambos estilos de generadores están disponibles con controles electrónicos avanzados y se pueden operar en paralelo. Se puede configurar un bus de generador de respaldo dividido para suministrar grandes cantidades de voltajes diferentes. Para ver nuestro stock de generadores nuevos y usados, vaya a Generator Source. Brindamos servicios de generadores, como mantenimiento, solución de problemas y reparación, instalación.
Generación de energía verde
La Agencia de Protección Ambiental (EPA) define la energía verde como la electricidad producida a partir de sistemas solares, eólicos, geotérmicos, de biogás, de biomasa e hidroeléctricos. Nuestro modelo incluía energía eólica y solar. Los posibles usos se exploran a continuación.
Energía solar
Los paneles solares están compuestos por células fotovoltaicas. Estas celdas convierten la luz solar en electricidad de corriente continua (CC). La electricidad creada se almacena en bancos de baterías. Una vez que los bancos de baterías están completamente cargados, la electricidad se puede enrutar de regreso usando un inversor y venderse.
El inversor es el corazón del sistema UPS. Cuando se pierde la energía, las baterías suministran energía a los circuitos que tienen requisitos críticos de energía. El inversor cambia CC a corriente alterna (CA) para suministrar circuitos mientras los generadores de respaldo se preparan para aceptar la carga.
Energía eólica
El viento se utiliza para hacer girar las turbinas. Las turbinas producen electricidad de CA de forma muy parecida a como funcionan los generadores de vapor y diésel. Las turbinas eólicas también se pueden conectar a la red eléctrica de la red pública, la red de respaldo de batería de UPS.
Las turbinas que están conectadas a la red eléctrica deben coincidir en fase y frecuencia. Para hacer coincidir la fase y la frecuencia de la red, la energía de la turbina se enruta a través de un convertidor de CA a CA. La CA se convierte en CC, luego se rectifica nuevamente a CA con un inversor y se enruta a la red. La corriente CA de la turbina eólica también se puede enrutar a través de un convertidor para ayudar en la carga del banco de baterías.
La energía solar y eólica son excelentes métodos para compensar los costos de consumo de energía de los edificios, pero no se han desarrollado lo suficiente como para aceptar tareas de energía de respaldo. Ambos dependen de las condiciones climáticas localizadas y de los bancos de baterías disponibles. En un día nublado sin viento, los bancos de baterías pueden agotarse rápidamente sin esfuerzos de carga.
Bancos de baterías de respaldo
Las soluciones de energía verde a menudo emplean el uso de bancos de baterías de respaldo. Estos bancos solo proporcionan energía momentánea de UPS. Están diseñados para proporcionar energía cuando falla el suministro eléctrico en la instalación, mientras los generadores se ponen en marcha para asumir la carga.
Los sistemas de baterías de respaldo se pueden construir con tres estilos diferentes de bancos de baterías que se enumeran a continuación:
Celdas de plomo-ácido: las baterías con celdas de plomo-ácido son la solución menos costosa. Estos pueden ser una buena respuesta fuera de la red para aplicaciones más pequeñas.
Iones de litio: más ligeras, más compactas y más duraderas que las baterías de plomo ácido. Sin embargo, son más caros.
Agua salada: este recién llegado se basa en los electrolitos del agua salada. La mayoría de las baterías no han sido probadas pero se reciclan fácilmente.
Los bancos de baterías de energía eólica se cargan mediante un convertidor que cambia de CA a CC. Las baterías alimentadas por energía solar no necesitan un convertidor porque los paneles solares generan CC.
Cuando se pierde la energía de la red pública, hay una pérdida de tiempo cercana a un milisegundo para la respuesta positiva del generador.
Las instalaciones y complejos como hospitales, centros de datos y municipios tienen tolerancia cero ante la pérdida de energía. Se basan en bancos de baterías para suministrar energía en el ínterin de una pérdida de energía de la red pública. Esta es una excelente solución a corto plazo, pero los bancos de baterías tienen sus limitaciones.
Las baterías con la capacidad de aceptar carga eléctrica son costosas para una compra inicial. Las baterías de plomo-ácido tienen electrolito que es el líquido en las celdas de la batería. El nivel de electrolito y la gravedad específica deben revisarse con frecuencia. Incluso con un mantenimiento cuidadoso, la vida útil de estas baterías puede ser de solo 5 a 15 años.
Costo de energías renovables y sistemas de almacenamiento de energía
Los recursos de energía renovable, como los parques eólicos, los parques solares y la generación hidroeléctrica, tienen un alto precio de compra inicial. Se requieren técnicos experimentados y equipos de construcción para instalar el equipo adquirido. Después de la instalación, las pruebas y la puesta en servicio, se debe realizar el mantenimiento del equipo. A menudo, se necesita una fuerza de mantenimiento de tiempo completo para mantener el equipo funcionando según las especificaciones.
El almacenamiento de energía avanza rápidamente y será un actor clave en el futuro de las microrredes. Puede ser un tema muy complejo y requiere ingenieros y planificación, y los costos están por todas partes dependiendo de sus necesidades. Microgrid Knowledge tiene un excelente artículo reciente sobre algunos de los últimos desarrollos en almacenamiento de energía de la conferencia de 2019 para profundizar aquí. Detallan el camino hacia el objetivo de almacenamiento de energía GW y las últimas noticias de las empresas y las políticas de FERC que ahora se están impulsando.
Estación de control
La estación de control proporciona al operador capacidades de control y monitoreo. Cada sistema se puede dividir en un subsistema que tiene equipos individuales dentro de él.
Paneles de distribución y control: reciben voltajes de entrada de todas las fuentes y distribuyen energía a los circuitos necesarios.
Generadores de respaldo: el software de la estación de control monitorea y tiene la capacidad de cambiar la configuración de funcionamiento del generador para suministrar energía a los circuitos críticos.
Green Power - Se monitorean los bancos de baterías del UPS. Se monitorea la entrada de energía solar a los bancos de baterías y la red. Estadísticas de turbinas eólicas monitoreadas. La capacidad de cambiar a una turbina eólica redundante o banco de baterías.
Básicamente, la estación de control proporciona una solución de software para mantener, monitorear y controlar todo el hardware asociado con una configuración de microrred. Puede haber múltiples piezas de software que respalden las operaciones de la red.
La redundancia es un principio clave en el diseño de estos sistemas. La redundancia consiste en tener una pieza de equipo preparada para el caso de que falle el equipo principal. Los generadores, las turbinas eólicas y los bancos de baterías son ejemplos de sistemas que pueden tener equipos principales y de apoyo redundantes.
Algunos equipos redundantes asumen automáticamente las funciones del equipo principal asignado y notifican al operador sobre un problema. El operador de la estación de control luego notifica a mantenimiento del problema para que pueda corregirse. El equipo redundante cumple con los mismos requisitos que el equipo principal. A menudo, el operador cambia el equipo principal y el redundante para las pruebas programadas.
La microrred es un concepto. Puede ser un diseño tan grande o tan pequeño como sea necesario para la instalación. Este es un viejo concepto que llegó para quedarse. A medida que aumente la tecnología de generación de energía, también lo hará el uso de microrredes.
