Durante la última década se ha intensificado el proceso de descarbonización del sistema energético. El cambio climático y la necesidad de reducir las emisiones de CO₂, por un lado, y el desarrollo de las tecnologías limpias, renovables y más económicas, por otro, han creado las condiciones necesarias para sustituir las fuentes tradicionales de combustión por energías eólicas y fotovoltaicas.
El papel de las redes eléctricas es fundamental en este proceso, dado que estas ofrecen el transporte de energía hacia su punto de consumo con las mínimas pérdidas. Además, en el futuro la energía eléctrica se va a utilizar mucho más en el sector del transporte, lo que aumentará la demanda eléctrica significativamente.
Este escenario, junto con la retirada de generación tradicional por la descarbonización, requiere un aumento sustancial de la producción mediante recursos energéticos más sostenibles y limpios.
¿Cómo operan las redes eléctricas?
Desde su nacimiento, la mayoría de la producción de las redes eléctricas se ha basado en plantas que convierten la energía térmica (tanto de carbón o gas como nuclear) o mecánica (hidráulica) en electricidad, facilitando así el transporte de energías a largas distancias con pocas pérdidas.
Para la conversión se utilizan grandes generadores eléctricos conectados a turbinas, cuya inercia dota de robustez y estabilidad al sistema eléctrico: previene que haya un apagón cuando se produce alguna perturbación grave, como puede ser la desconexión de un generador o de una zona provocada por causas humanas o naturales.
Con el objetivo de avanzar hacia un sistema energético descarbonizado, este tipo de generadores se sustituyen por fuentes renovables.
En este punto es necesario tener en cuenta que la generación basada en fuentes renovables es de potencias inferiores y de características más distribuidas. En lugar de máquinas eléctricas se utilizan los convertidores de electrónica de potencia que no proporcionan ninguna propiedad inercial. Además, la energía producida es variable en el tiempo y no se puede despachar, necesitando por tanto unos generadores tradicionales de apoyo para conseguir así asegurar el suministro.
Hacia un exceso de producción renovable
Todos estos factores han provocado diferentes retos técnico-económicos en el campo de la integración de las energías renovables en las redes eléctricas y en los mercados de energía.
Con los planes ambiciosos de todos los gobiernos sobre la descarbonizacion del sistema energético, cada vez habrá más fuentes renovables conectadas a las redes eléctricas.
Llegará un momento, previsiblemente a partir de 2030, en el que habrá un exceso importante de la capacidad renovable instalada en España. Se prevé que durante el día llegue incluso a superar a la demanda.
Entonces, habrá horas de exceso de energía renovable en las que el sistema no permitirá a todos los productores generar a toda su capacidad debido a la configuración del mercado de la energía, que define la mezcla de producción.
Presente y futuro de redes eléctricas.
National Renewable Energy Laboratory, EEUU
¿Qué hacemos con la energía sobrante?
En esos periodos con posibles excesos de producción, ¿qué hacemos con esa energía? ¿La desperdiciamos? ¿La utilizamos como reserva? ¿Cómo se puede compensar a los productores que hayan ajustado su generación o tengan que detenerla?
Una de las soluciones más obvias es el almacenamiento; sin embargo, tiene límites tanto técnicos como económicos. Aunque existen diferentes tecnologías de almacenamiento de energía aplicadas en redes eléctricas, en general hay muy poca capacidad de almacenamiento comparada con la capacidad de producción necesaria.
Como explica Red Eléctrica, “la energía eléctrica puede ser generada, transportada y transformada con facilidad, sin embargo, resulta complicado almacenarla en grandes cantidades”. Por eso, en las redes eléctricas siempre se hace balance energético instantáneo entre la producción y la demanda.
Otra opción es incrementar el uso de los métodos de gestión de demanda y del concepto de que la demanda sigue a la producción (el concepto contrario a lo que tenemos hoy en día). La demanda puede ser flexible, sin embargo, solo dentro de cierto rango, así que no siempre puede ofrecer la solución.
Por todo lo anteriormente expuesto, está claro que se va a incrementar el valor de los servicios auxiliares en la red, sobre todo los que tienen que ver con la robustez del sistema eléctrico como la inercia y las reservas de energía.
Si se habilita a los productores para ofrecer estos servicios, podrían ingresar dinero no solo por términos de energía producida, sino también por los servicios prestados a la red. Esto significa que no todas las plantas renovables tendrán que producir la máxima energía todo el tiempo, será suficiente con que estén conectadas a la red y disponibles para subir o bajar la energía entregada cuando se detecten perturbaciones en el sistema.
Para participar en estos mercados nuevos de servicios auxiliares, el sistema de control de los convertidores de electrónica de potencia tiene que adaptarse a los nuevos requisitos.
¿Cómo integrar las renovables de manera inteligente?
Los investigadores de la Unidad de Sistemas Eléctricos de IMDEA Energía trabajamos en el desarrollo de nuevos algoritmos de control para convertidores de potencia que sirvan como interfaces para fuentes renovables y para baterías.
En particular, investigamos un tipo de control llamado grid-forming (formador de red), capaz de emular la inercia (proporcionar inercia sintética) apoyando a la vez el control de la tensión y de la frecuencia en redes eléctricas. Estas características permiten convertir las fuentes renovables no solo en productores de energía, sino también en los proveedores de servicios de red, aprovechando el exceso de la capacidad para fortalecer las redes eléctricas.
Nuestros resultados preliminares son alentadores y demuestran que en un futuro será posible conseguir los niveles más altos de fiabilidad en las redes eléctricas a través de las mejoras aplicadas al sistema de control de convertidores. No obstante, también son necesarios ciertos cambios en el marco regulatorio, como aquellos relacionados con las reglas de conexión a las redes eléctricas y con el funcionamiento de los mercados de energía y los mercados de servicios auxiliares.
Queda mucho por investigar para encaminar la transición energética hacia tecnologías limpias y renovables. En este camino, el principal objetivo sigue siendo garantizar la continuidad y la calidad de suministro para todas las demandas eléctricas, que son siempre cambiantes y cada vez más exigentes.
Milan Prodanovic does not work for, consult, own shares in or receive funding from any company or organisation that would benefit from this article, and has disclosed no relevant affiliations beyond their academic appointment.
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