Sistemes d'emmagatzematge d'energia en microrredes

2014/03/01 Etxeberria Urkia, Aitor - ESTIA-Recherche laborategia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia berriztagarriak
• Energia
• Ingeniaritza

Evolució de la xarxa elèctrica

XIX. Des que a la fi del segle XX (1882) es va posar en marxa per primera vegada en aplicacions reals, la xarxa elèctrica s'ha expandit constantment per tot el món i ha canviat radicalment els nostres costums. Avui dia no podem imaginar el nostre dia a dia sense energia elèctrica.

Però també cal tenir en compte veure què hi ha més enllà de l'endoll, com funciona i com evoluciona en els últims anys.

En els seus inicis, la xarxa elèctrica funcionava amb corrent continu. La tensió que es podia obtenir era baixa, per la qual cosa no es podia transmetre aquesta energia a grans distàncies, ja que la intensitat del corrent a utilitzar generava grans pèrdues d'energia en els cables de transmissió. En els primers anys de la xarxa elèctrica, el funcionament de la xarxa es basava en generadors instal·lats prop dels punts de consum. Generació i consum d'energia local. L'equilibri entre l'oferta i la demanda d'energia es realitzava mitjançant bateries connectades directament a la xarxa.

Anys després, en 1886, l'aparició del corrent altern va permetre la distribució de l'electricitat a majors distàncies. Mitjançant els transformadors, la tensió va començar a augmentar a valors alts (diversos kV). D'aquesta manera, es va aconseguir reduir considerablement el corrent necessari per a transmetre la mateixa potència, fent viable la transmissió a grans distàncies. En reduir la intensitat de corrent es va aconseguir una important reducció de les pèrdues en els cables de transmissió respecte a les pèrdues en els sistemes de corrent continu. Els transformadors dels centres de consum complien la funció oposada, és a dir, reduïen la tensió a valors baixos tant de la il·luminació com de les màquines. Després de l'avanç en el desplegament de la xarxa elèctrica, s'inicia la centralització de l'energia en les grans instal·lacions de generació i el seu posterior trasllat als usuaris a través de les línies de transmissió i distribució. Va ser l'inici de la configuració actual de la xarxa elèctrica.

Des de llavors, la xarxa elèctrica ha estat fonamental tant en la indústria com en la vida quotidiana. No obstant això, amb el pas dels anys aquesta xarxa elèctrica centralitzada ha començat a quedar obsoleta. El consum elèctric és cada vegada major i en alguns punts les línies de transmissió i distribució estan saturades. A més, la crisi energètica provocada per la limitació dels combustibles fòssils i la preocupació pel canvi climàtic ha portat a diversos països a introduir canvis en la generació d'energia. En aquest context, l'aposta per les energies renovables ha augmentat considerablement a tot el món. D'altra banda, la liberalització del mercat elèctric ha propiciat que els usuaris no sols consumeixin energia sinó que la generen i la venen a la xarxa.

Ús de fonts d'energia renovables i microrredes

Per totes aquestes raons, cada vegada són més els generadors renovables que es connecten a la xarxa elèctrica. Aquests generadors, en comparació amb les instal·lacions centralitzades, són de petita grandària i habitualment se situen prop dels punts de consum. Per això es denominen generadors de generació distribuïda.

Quant a l'ús d'aquests sistemes de generació distribuïda, podem dir que s'ha començat a canviar la perspectiva de funcionament de la xarxa elèctrica des d'un funcionament centralitzat cap a un descentralitzat.

En general, els generadors de generació distribuïda presenten dos avantatges importants: reduir el consum de combustibles fòssils i, en estar pròxims als punts de consum, reduir les pèrdues en les línies de transmissió i distribució. La proximitat d'aquests petits generadors als punts de consum permet utilitzar la calor que generen per a altres aplicacions, com l'escalfament d'aigua, la qual cosa millora l'eficiència total del sistema.

La majoria dels generadors de generació distribuïda estan basats en recursos energètics renovables com el sol, el vent, etc. Atès que aquests recursos energètics no són controlables i el seu grau de variabilitat és elevat, el seu ús pot posar en perill el bon funcionament de la xarxa elèctrica. Per tant, és imprescindible integrar l'energia elèctrica que generen de manera controlada en la xarxa. La microrred és un dels sistemes que s'estan estudiant per a aconseguir aquest objectiu.

Tal com el seu nom indica, la microrred és una petita xarxa elèctrica que inclou microsensores, sistemes d'acumulació, controladors (sistemes de comunicació, convertidors d'electrònica de potència, etc.). i la formada per càrregues. Una de les seves característiques més importants és la seva possibilitat de funcionament connectat o desconnectat a la xarxa elèctrica principal. És a dir, la microrred és capaç de funcionar de manera autònoma, per la qual cosa si hi ha algun problema en la xarxa elèctrica principal, és capaç de desconnectar-se d'ella i continuar subministrant energia elèctrica a les seves càrregues.

La figura 1 mostra l'estructura simplificada d'una microrred.

Figura . Classificació de les tecnologies d'emmagatzematge per energies i potències específiques. Imatge: Commons wikimedia.org,

La microrred alimenta diverses branques i es connecta a la xarxa principal en un únic punt. A més de poder desconnectar-se de la xarxa elèctrica, és capaç de desconnectar les branques que alimenta. D'aquesta forma es podrien definir les prioritats de les càrregues en funció de la seva importància. En cas necessari, es podria interrompre l'alimentació d'algunes càrregues per a mantenir assegurada l'alimentació de càrregues més importants. Per exemple, en la figura 1 es pot interrompre l'alimentació de la branca C per a assegurar l'alimentació de les càrregues de les branques A i B.

Malgrat els seus avantatges, existeixen diverses preguntes pendents per a la implementació real de les microrredes, per la qual cosa les microrredes són en l'actualitat el tema central dels treballs de recerca.

Necessitat de sistemes d'emmagatzematge d'energia

Un dels problemes de la microrred és que per definició és una xarxa feble. En aquest sentit, és molt sensible als canvis de potència que puguin derivar-se tant dels generadors d'energia com de les càrregues, per la qual cosa aquests canvis poden impedir l'estabilitat de la microrred. Per això, és imprescindible l'ús de sistemes d'emmagatzematge d'energia en una microrred. La principal funció dels sistemes d'emmagatzematge és mantenir un equilibri energètic i de potència entre l'oferta i la demanda, per a assegurar el correcte funcionament de la xarxa elèctrica.

Al seu torn, un sistema d'acumulació contribueix a reduir els efectes negatius de la variabilitat dels generadors renovables mitjançant la integració controlada de l'energia en la xarxa. An ideal acumulation system that would clear this change potential and at the exit would be constant. Encara que no existeix un sistema d'acumulació ideal, pot aproximar-se a aquest objectiu.

Perquè una microrred acumuli energia és imprescindible un sistema d'acumulació de gran capacitat, gran potència, ràpida resposta i llarga supervivència. En la figura 2 es classifiquen algunes de les tecnologies d'emmagatzematge disponibles actualment en funció de la seva energia específica i la seva potència específica. Aquestes dues característiques determinen les capacitats energètiques i de potència per unitat de massa d'un sistema d'acumulació. Defineixen la capacitat energètica en Wh del sistema d'emmagatzematge per quilogram i la potència en W.

Tal com es pot observar en la Figura 2, en l'actualitat no existeix cap sistema que ofereixi altes capacitats tant energètiques com de potència. Per això, una possible alternativa seria el sobredimensionamiento d'un sistema d'alta capacitat energètica (o de potència) per a aconseguir una alta capacitat de potència (o capacitat energètica). Tanmateix, això incrementaria massa el preu. Per tant, per a poder satisfer les necessitats d'una microrred és necessari utilitzar diferents tecnologies d'emmagatzematge d'energia mitjançant la creació d'un sistema d'acumulació híbrid.

Aquest sistema d'acumulació híbrid permetria disposar d'un sistema d'emmagatzematge d'alta capacitat, alta potència, ràpida resposta i llarga supervivència per a emmagatzemar energia. No obstant això, encara que hi ha molta tecnologia, no existeix un sistema híbrid capaç de donar els resultats més adequats per a totes les aplicacions. És necessari determinar la tecnologia més adequada per a cada aplicació, tenint en compte els avantatges i inconvenients de cadascuna d'elles.

Una vegada seleccionat el sistema i determinat la seva grandària, és necessari seleccionar el sistema més adequat del convertidor de potència que permeti controlar el flux de potència del sistema d'acumulació i connectar el propi sistema a la micro. A continuació es dissenyarà l'algorisme de control adequat que gestioni el seu ús en funció tant de les condicions de la xarxa com de l'estat del sistema d'acumulació. D'aquest algorisme dependrà l'optimització del sistema d'acumulació, així com la maximització de la seva supervivència, que depèn del seu ús.

Davant la impossibilitat de comprendre microrredes sense acumulació d'energia, la integració i gestió dels sistemes d'acumulació en la xarxa és un tema a investigar per a la posada en marxa d'aplicacions reals de microrredes. Els sistemes d'acumulació juguen un paper fonamental en les microrredes del futur.

Referències