Comunicación presentada al II Congreso Smart Grids:
Autores
- Giovanna Santamaría, Ingeniero I+D, Jema Energy S.A.
- Luis Galo Corzo, Ingeniero I+D, Jema Energy S.A
- Leire Arrizubieta, Ingeniero I+D, Jema Energy S.A.
- Eneko Sansinenea, Ingeniero I+D, Jema Energy S.A
- Iñigo Cuevas, Ingeniero I+D, Jema Energy S.A
- Ibón Cerro, Director Técnico, Jema Energy S.A.
- Iker Martinez, Ingeniero Industrial, Fomento de San Sebastián S.A.
- Ana Aizpuru, Directora Economía Sostenible, Fomento de San Sebastián S.A.
Resumen
Los requisitos actuales relativos a la eficiencia energética y la integración de nuevos elementos, tales como los vehículos eléctricos y las energías renovables, requieren el desarrollo de un nuevo concepto de red eléctrica diferente al que conocemos hoy en día: la red inteligente. Para esto es necesario la participación activa de edificios y ciudades de la red como productores, consumidores y almacenadores de energía, así como un nuevo sistema de control más eficiente que tenga en cuenta la calidad de red, la compensación de armónicos y la regulación P/Q, entre otros.
Introducción
El sector energético mundial es muy dependiente de materias primas cada vez más escasas, como el petróleo y el gas natural. La Unión Europea se ha planteado tres grandes objetivos para 2020: reducción del 20% de las emisiones de CO2, lograr una cota del 20% de generación de origen renovable y mejorar la eficiencia de la red eléctrica en un 20%
La Directiva Europea de Eficiencia Energética – EPBD, aprobada en 2010, requiere que todos los edificios construidos después de 2021 sean edificios de energía casi cero, y desde 2019 en el caso de los edificios públicos.
Todo esto, junto con la enorme dificultad de las operadoras de expandir sus infraestructuras de transporte de electricidad, hace necesario un nuevo concepto de red eléctrica. En este nuevo paradigma, las redes y los edificios inteligentes deben ser el futuro. Es necesario construir ciudades y edificios que tengan en cuenta las tecnologías renovables, que son inagotables y respetuosas con el medio ambiente.
ISARE SMARTGRID está ubicada en el edificio pionero ENERTIC, un edificio diseñado con criterios bioclimáticos de alta eficiencia, aporte de energías renovables, próximo a 0 emisiones de CO2 y equipado con un sistema de monitorización y control inteligente. El edificio ENERTIC es un Centro Transfronterizo de Innovación y Empresas destinado al Sector de Energías Renovables, Eficiencia Energética y SmartEnergy, desarrollado con el objetivo de dar soporte al Clúster de Energías Renovables, Eficiencia Energética y Smart Energy de San Sebastián, promovido por Fomento de San Sebastián y el Ayuntamiento de San Sebastián, además de tener en dicho centro una concentración sectorial que promueva la colaboración inter-empresarial, la puesta en marcha de proyectos innovadores, de mayor envergadura, etc. El Centro está ubicado en el Polígono Industrial 27 de San Sebastián, mayor polígono industrial de la ciudad. Enertic pretende ser un proyecto tractor y transformador en dicho ámbito y en todo el distrito Urumea Riverside de la ciudad.
El objetivo principal de iSARE SMART GRID consiste en Desplegar una micro-red experimental a modo de demostrador, que sirva como plataforma de desarrollo de nuevos productos, equipos, sistemas y procedimientos de operación y mantenimiento a las empresas participantes en este proyecto. La micro red iSARE entra en operación este mes de julio, y en una primera fase estará funcionando en modo isla, para en una segunda fase conectarse al edificio y testar las interacciones a todos los niveles.
Concepto de Smart Grid
Una Smart Grid es un sistema de generación bidireccional que permite la distribución de electricidad desde los proveedores hasta los consumidores, utilizando tecnología digital, favoreciendo la Integración de las fuentes de generación de origen renovable, con el objetivo de ahorrar energía, reducir costes e incrementar la fiabilidad.
Para conseguir este objetivo es necesario un reparto óptimo de la energía, implicando al usuario/consumidor mediante un modelo de pequeños sistemas inteligentes de distribución eléctrica auto-gestionados localmente, que pueden funcionar tanto conectados a la red pública de distribución como aislados de la misma.
Además, permite solucionar los dos principales problemas del modelo actual de la red eléctrica que son: las pérdidas de energía en el transporte y en el suministro (hasta un 14%) y que la generación está desacoplada de la demanda.
Concepto de Smart Building
Los requisitos básicos para la gestión activa de la generación y el consumo de electricidad en los edificios comprenden:
La necesidad de implementar sistemas de medición avanzados (medidores inteligentes)
Integración de sistema de comunicaciones de la red inteligente con cada edificio inteligente
Contratos de energía con tasas flexibles
De esta forma, los edificios son capaces de:
- Comunicarse con la red
- Realizar una predicción de consumo y generación de energía
- Optimizar el consumo en función de la tarifa
- Reducir consumos
- Aumentar la eficiencia y sostenibilidad
- Reducir costes de operación y mantenimiento
Proyecto I-Sare: Smart Grid 300 KW
El objetivo del proyecto iSare es crear una micro red inteligente eficiente, sostenible y segura que sirva de banco de ensayo para desarrollar y experimentar el estado de diferentes tecnologías de generación y almacenamiento. Los beneficios de esta red inteligente pueden resumirse en seis puntos:
- Lucha contra el cambio climático mediante la sustitución de combustibles fósiles por energías renovables
- Desarrollar el «modo isla», la capacidad de un área para trabajar de forma aislada en caso de fallo de la red principal
- Aumentar el control y la visibilidad de todas las partes de la red para anticipar la demanda y para corregir las deficiencias en el menor tiempo posible
- Convierte a los consumidores en participantes activos, lo que les permite planificar su consumo
- Reducir los costos al evitar la construcción de nuevas infraestructuras
- Preparar la red para el despliegue a gran escala de los vehículos eléctricos
Elementos de la red iSare
La micro red i-Sare tiene una potencia de generación instalada de 300 kW y está constituida por un sistema de almacenaje, cargas y generadores que pueden operar conectados a la red de distribución eléctrica o de manera aislada (Isla). El objetivo es emplear de manera integrada diferentes tecnologías de fuentes de producción de energía renovables junto con fuentes de generación convencionales, estableciendo sistemas de gestión inteligentes y almacenamiento de la energía eléctrica del conjunto.
A continuación se enumeran los diferentes elementos de la red i-Sare:
- Energía Renovable: Generación Fotovoltaica, Generación eólica de eje vertical, Generación eólica de eje horizontal, Pila de combustible de hidrógeno
- Cogeneración: Motogenerador de gas natural con módulo de cogeneración
- Sistemas de almacenamiento: Baterías de Pb, Baterías Ion-Li, SuperCondensadores, Volante de Inercia
- Vehículo eléctrico
- Estación de recarga de vehículo eléctrico
- Sistemas de monitorización y control
Control Jerárquico
En la gestión de la micro red iSare se utiliza un control distribuido jerárquico de cuatro niveles: el primario, el secundario, el terciario y el cuaternario.
El control primario se implementa en los controles locales de cada inversor conectado a la micro red y es responsable del reparto de la potencia activa y la reactiva. Los convertidores de potencia tienen que ajustar el flujo de potencia activa y reactiva que puede lograrse a través del control de frecuencia y tensión (droop control), es decir, pueden emular a los generadores síncronos en paralelo de un sistema de generación tradicional y automáticamente compartir la demanda total de carga. Por lo tanto, los consumidores son capaces de gestionar su demanda de forma activa.
Los otros tres controles (control secundario, terciario y cuaternario) se realizan en un la unidad de control central. El control secundario re-estabiliza las desviaciones en tensión y frecuencia y se encarga de la sincronización con la red principal, el control terciario realiza la gestión de la energía en toda la micro red y el control cuaternario se encarga de realizar el reparto de la demanda real entre generadores, almacenadores y conexión con el proveedor.
Control Distribuido
El flujo de la información entre las distintas unidades se realiza mediante una red interna de comunicaciones basada en EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System), y un conjunto subredes que interconectan los equipos de generación y consumos con los equipos de comunicación IOC (Input Output Controler) de la red de comunicaciones interna. Además, se dispone de un sistema de registro y monitorización de variables y alarmas que permitan controlar el sistema en todo momento, así como registrar cualquier incidencia que pueda producirse.
Control Central
El flujo de la información entre las distintas unidades se realiza mediante una red interna de comunicaciones basada en EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System), y un conjunto subredes que interconectan los equipos de generación y consumos con los equipos de comunicación IOC (Input Output Controler) de la red de comunicaciones interna. Además, se dispone de un sistema de registro y monitorización de variables y alarmas que permitan controlar el sistema en todo momento, así como registrar cualquier incidencia que pueda producirse.
EPICS es un conjunto de herramientas de código abierto, desarrolladas para crear sistemas de control distribuidos con requerimientos de tiempo real basado en un esquema cliente/servidor especialmente pensado para utilizarse en instalaciones como aceleradores de partículas, telescopios e instrumentos similares.
Este software ha sido desarrollado para permitir integrar en un mismo sistema multitud de dispositivos, cada uno de ellos responsable de uno o varios elementos de control, y poder acceder a todas las variables presentes en el sistema de manera rápida y precisa, ya sea el estado de un instrumento, la medida de determinado sensor, o la posición de un motor. En la jerga EPICS las variables se denominan Process Variable (PV). Para ello implementa una arquitectura cliente/servidor que posibilita esta comunicación siempre y cuando todos los elementos formen parte de la misma red local construida sobre Ethernet implementando el protocolo TCP/IP para el intercambio de datos y UDT/IP para la administración de la conexión. El elemento esencial de esta colaboración entre componentes es el Channel Access (CA), un protocolo que proporciona transparencia a la comunicación entre clientes que requieren información o exigen acciones a realizar, y servidores que procesan las peticiones, los denominados I/O servers.
Referencias
- Juan Carlos Vasquez Quintero, “Decentralized Control Techniques applied to electric power distributed generation in micro grids,” Tessis June 10, 2009.
- J. M. Guerrero, Berbel, J. Matas, J. L. Sosa and de L. g. Vicuna, “Decentralized Control for parallel operation of distributed generation inverters in microgrids using resistive output impedance”, IEEE ISIE 2006, `pages 5149-5154,, 2006.
- J. M. Guerrero, R. Teodorescu, T. Kerekes, J. C. Vasquez, “Industrial Ph. D. Course in Microgrids”, Aalboorg University, Nov. 18-19, 2010.