Comunicación presentada al II Congreso Smart Grids:
Autor
- Carlos Lezana, Marketing y Comunicación, Área Solar Fotovoltaica, Ingeteam
Resumen
Este escrito recoge las distintas soluciones tecnológicas que Ingeteam propone para poder desarrollar micro-redes como sistemas de generación y consumo distribuido. Dentro de ese concepto, se analiza en profundidad la estructura de una micro-red dada, desde los elementos que la componen hasta sus estrategias de gestión, pasando por la manera de integrar en ellas las fuentes de generación renovable para aumentar el ratio de autoconsumo. Dentro de esta idea, se analizarán las distintas instalaciones posibles en función de su nivel de complejidad. En esta comunicación se presentan referencias correspondientes a instalaciones reales en España desarrolladas con equipos de Ingeteam.
Introducción
En los últimos años, los cambios en los hábitos de consumo energético, así como la creciente concienciación social en materia medioambiental, han hecho que algunos pilares considerados inamovibles hasta ahora se hayan comenzado a debatir y a reconsiderar por parte de los agentes involucrados en el sector energético. En ese contexto nace la idea de la Smart Grid como alternativa a un esquema puesto en práctica desde hace muchos años. El concepto asociado a la Smart Grid supone, ante todo, una modificación de la idea tradicional del modelo de generación eléctrica. Y este cambio, si bien consiste fundamentalmente en un cambio estructural general, se basa también en la integración de las distintas fuentes de energía renovable dentro del esquema global, así como de distintos sistemas de almacenamiento energético, que proporcionen mayores posibilidades de gestión de la energía a todas las escalas. Por supuesto, también contempla una evolución en los hábitos y estrategias de consumo, tanto a nivel individual como colectivo, todo ello dirigido hacia la obtención de un mayor nivel de eficiencia energética y un mejor aprovechamiento de la energía.
Descripción
El esquema adoptado hasta la fecha en la mayor parte de los países para producir energía, la llamada generación convencional, se basa en la producción energética a partir de fuentes no renovables (nuclear, petróleo, gas y carbón, principalmente). Este modelo de generación presenta como características principales que está centralizada y que es gestionable. Esa gestionabilidad presenta como ventaja fundamental que proporciona estabilidad al sistema eléctrico, ya que permite garantizar que la potencia generada sea igual a la potencia consumida. Pero el hecho de que el sistema de generación esté centralizado presenta más inconvenientes que ventajas, ya que aumentan los costes y se incrementan las pérdidas en el transporte de la electricidad. Además, el modelo convencional de generación supone un aumento de las emisiones de CO2 a la atmósfera.
En cambio, un modelo de generación de tipo distribuido que presente un nivel elevado de integración de energías de origen renovable, presenta varias ventajas. En primer lugar, permite reducir los costes y las pérdidas asociadas al transporte de la electricidad, ya que los lugares de generación pueden ubicarse en la misma instalación de consumo. En segundo lugar, se minimizan las emisiones de CO2 a la atmósfera a la hora de producir electricidad. Y en tercer lugar, se reduce la dependencia energética con respecto a los países productores de petróleo sin aumentar el coste de producción de la electricidad, ya que los precios actuales de las instalaciones de energías renovables se han reducido y se ha alcanzado la paridad de red, siendo ya estas energías rentables por sí mismas, incluso sin primas ni subvenciones. El principal inconveniente que presentan las fuentes de generación de origen renovable se basa en su variabilidad y su difícil gestionabilidad. Sin embargo, ya se han dado numerosos pasos para poder aumentar la gestionabilidad de las renovables al mismo tiempo que se reducen los efectos de su variabilidad, y previsiblemente se darán otros también en el futuro en esa misma dirección, sobre todo los relacionados con la inclusión de sistemas de almacenamiento de energía.
Hasta la fecha, las medidas adoptadas han ido encaminadas a asimilar el comportamiento de las energías renovables al de las centrales de generación convencionales. De hecho, se han aprobado numerosas normativas internacionales de conexión a red obligando a los inversores fotovoltaicos a ser capaces de responder ante huecos de tensión, inyectar potencia reactiva o llevar a cabo métodos de regulación primaria, como controlar la potencia activa y la frecuencia de red. En el futuro, se prevé que se extienda el uso de sistemas de almacenamiento de energía, terreno en el que hay todavía un gran margen de desarrollo tecnológico. En este sentido, la inclusión de sistemas de almacenamiento permitirá reducir las fluctuaciones de potencia (por ejemplo, las causadas por el paso de nubes), que son uno de los principales problemas que presentan hoy en día las instalaciones fotovoltaicas. Asimismo, esta tecnología permitirá que las renovables puedan participar plenamente en los mecanismos de regulación primaria, y posibilitará el desplazamiento en el tiempo de la generación energética, ya que se podrá disponer de esa energía en un momento distinto al de su producción.
La unidad básica de esa red inteligente o Smart Grid, en la cual se fundamenta la idea de la generación distribuida, es la micro-red, que presenta una serie de características principales. En primer lugar, la micro-red está conectada a la red general de distribución en un único punto. Por eso, actúa como un sistema único. Esta característica hace que pueda también funcionar de manera aislada en caso de que se produzca una caída de red. En segundo lugar, la micro-red no es solamente una instalación de consumo, sino que integra también la generación energética. Idealmente, esa fuente de energía será de origen renovable, si bien podríamos estar hablando también de un grupo electrógeno, por ejemplo. Y además de la generación energética, la micro-red incluye también un sistema de almacenamiento, que es lo que le brinda el mayor grado de autonomía con respecto a la red y unas mayores posibilidades de gestión. Lo cual nos lleva a la última característica fundamental: las distintas estrategias de gestión energética que posibilita. La micro-red incluye un gestor que controla los distintos elementos de la micro-red (consumos, generación, almacenamiento y vatímetro en el punto de conexión) y que pone en práctica la estrategia energética elegida por el usuario, que podría ser cualquier persona, cualquier consumidor energético que decida convertir su vivienda en una micro-red, ya que ésa sería precisamente la unidad más básica de toda la Smart Grid. En última instancia, la situación ideal consistiría en que todos los consumidores energéticos fuesen también productores de energía. De aquí nace la idea del proconsumidor, actor principal y figura asociada al concepto de autoconsumo, de la que tanto se viene hablando en los últimos tiempos.
Como ya se ha dicho, las micro-redes son la unidad básica de la Smart Grid y, como tal, necesitan ser gestionadas. Esa gestión puede darse de dos formas: a) bajo una consigna proveniente de un centro de control externo, que sería el centro de control general de la Smart Grid; b) bajo estrategias autónomas individualizadas para cada micro-red. Pero sea cual sea la modalidad de control, lo importante es resaltar esa necesidad de gestión. Gracias al avance experimentado por las comunicaciones en los últimos años, las micro-redes son fácilmente gestionables.
La tecnología actual posibilita un variado tipo de instalaciones que permiten aprovechar la energía solar disponible para desarrollar sistemas de autoconsumo a diferentes escalas. Ahora bien, adaptándonos a los distintos marcos normativos, y centrándonos en el caso español, podemos distinguir entre dos modalidades de autoconsumo: autoconsumo sin limitación de energía y autoconsumo instantáneo.
Autoconsumo sin limitación de energía
Este tipo de instalaciones, acogidas al Real Decreto 1699/2011, se realizan con inversores de conexión a red convencionales. En esta modalidad de autoconsumo, la energía no consumida instantáneamente se inyecta en la red.
Autoconsumo instantáneo
Este tipo de instalación se caracteriza por la limitación de la energía producida para no inyectar en la red, y debe ser tramitada como sistema de baja tensión de acuerdo con la ITC BT 40. Para asegurar la no inyección de energía en la red, toda la energía generada debe ser consumida en la propia instalación. En este tipo de sistemas, para garantizar que la generación no sobrepasa el consumo se hace necesaria la inclusión de un elemento de control, como el INGECON EMS Manager de Ingeteam. Este gestor energético permite controlar todos los agentes involucrados en el intercambio de energía dentro de la instalación. Para ello, el gestor monitoriza el intercambio de potencia con la red a través de un vatímetro colocado en el punto de conexión, y establece las consignas de potencia para los inversores fotovoltaicos. Ingeteam dispone de un certificado que asegura el cumplimiento de la especificación técnica de Iberdrola en cuanto a la limitación de potencia para garantizar la no inyección en red.
Sistemas de autoconsumo
Un aspecto a tener en cuenta en este tipo de sistemas, directamente relacionado con la amortización de la instalación, es el grado de solapamiento de la generación y el consumo. En este sentido, hay una gran diferencia entre una instalación industrial en la que una gran parte del consumo eléctrico se da durante las horas diurnas, y una instalación doméstica en la que el consumo más alto se da por la noche.
La siguiente figura muestra el consumo de una instalación real de autoconsumo industrial. En ella se aprecia cómo el consumo aumenta durante el día, lo que permite un aprovechamiento total del recurso solar.
Sin embargo, en instalaciones residenciales, en las que la mayor parte de las cargas (TV, vitrocerámicas, hornos, lavadoras, lavavajillas y sistemas de iluminación) se conectan durante la noche, el acoplamiento con la generación fotovoltaica es peor, tal y como puede verse en la siguiente figura, lo que se traduce en un peor aprovechamiento del recurso solar y ratios de autoconsumo bajos.
Una opción para aumentar el ratio de autoconsumo en instalaciones residenciales es la gestión de cargas. La gestión de cargas consiste en programar el encendido de los consumos de la instalación en aquellos momentos en los que haya generación fotovoltaica, de forma que se pueda conseguir el máximo aprovechamiento del recurso solar mediante el traslado del consumo principal a las horas de luz. El INGECON EMS Manager dispone de dos salidas libres de potencial para controlar la conexión y desconexión de cargas en función de la configuración programada por el usuario y la energía disponible en cada momento.
Indudablemente, la única forma de lograr satisfacer los consumos nocturnos con energía solar en instalaciones de autoconsumo, es la inclusión de un sistema de almacenamiento que se cargue con los excedentes fotovoltaicos durante el día y proporcione energía a las cargas nocturnas. En el mercado existen baterías de diversas tecnologías (plomo-ácido, Ni-Cd, Li-ión, Ni-MH, etc.). Dentro de cada modalidad de baterías también existen distintos tipos, pero todas ellas funcionan transformando en energía química la energía eléctrica generada en los paneles fotovoltaicos. Las más utilizadas actualmente para instalaciones fotovoltaicas son las de plomo-ácido, si bien las baterías de Litio-ión se presentan también como una buena opción de futuro para sistemas domésticos, debido a su reducido tamaño.
La inclusión de un sistema de baterías en una instalación, permite aumentar considerablemente el ratio de autoconsumo, pero además puede utilizarse para reducir las puntas de consumo desde la red eléctrica. Es lo que se conoce como peak-shaving. Gracias a esta estrategia, es posible alcanzar fácilmente ratios de autoconsumo del 100%, reduciéndose a cero el consumo variable de la factura eléctrica. Además, este uso de las baterías permite disminuir la potencia contratada con la empresa comercializadora, reduciéndose también de esta forma el término fijo de dicha factura. Este ahorro acumulado permite acortar enormemente el plazo de amortización de la inversión en la instalación.
Más allá del ahorro económico tan importante que supone la implementación de este tipo de sistemas, su principal virtud radica en que propicia un aprovechamiento total del recurso solar, permitiendo que cualquier consumidor privado pueda satisfacer su demanda energética con energía de origen 100% renovable.
Otra ventaja de la inclusión de un sistema de almacenamiento se encuentra en el funcionamiento en modo back-up. En aquellos casos en que se produzca una caída de la red pública, la instalación privada será capaz de seguir alimentando sus consumos eléctricos desde las baterías, operando de forma aislada. Así, la instalación se convierte en autosuficiente energéticamente.
Conclusiones
El desarrollo de las Smart Grids y la integración de sistemas de almacenamiento permiten a las energías renovables convertirse en energías gestionables. Esa cualidad, hace que sean totalmente equiparables a las fuentes de energía convencionales (no renovables).
Las micro-redes son las unidades básicas de la Smart Grid e Ingeteam aporta soluciones tecnológicas, tanto de ámbito doméstico como industrial. Es necesario modificar la normativa vigente para permitir el uso de sistemas de almacenamiento distribuidos en redes interiores. Sólo así se podrá dar el paso de un modelo de generación convencional como el actual, de carácter centralizado, a un modelo de generación distribuida, donde el autoconsumo funcione de manera plena y normalizada, aprovechando al máximo el recurso energético natural del que disponemos.