Una microgrid, también llamada microrred, es un grupo descentralizado de fuentes de electricidad y cargas que normalmente funciona conectado y sincrónico con la red síncrona tradicional de área amplia (macrorred), pero que puede desconectarse de la red interconectada y funcionar de forma autónoma en "modo isla", según lo dicten las condiciones técnicas o económicas. De esta manera, las microrredes mejoran la seguridad del suministro dentro de la celda de la microrred y pueden suministrar energía de emergencia, cambiando entre los modos de isla y conectado.
Definición El Grupo de Microrredes del Departamento de Energía de los Estados Unidos define una microrred o microgrid como un grupo de cargas interconectadas y recursos energéticos distribuidos (DER) dentro de límites eléctricos definidos que actúan como una entidad única controlable con respecto a la red. Además tiene la posibilidad de conectarse y desconectarse de la red para permitir que funcione tanto en modo conectado como en modo isla.
La UE describe una microrred o microgrid como aquella que comprende sistemas de distribución de baja tensión (BT) con recursos energéticos distribuidos (DER) ( microturbinas, pilas de combustible...), dispositivos de almacenamiento de energía (baterías, volantes) y cargas flexibles. También coinciden en que pueden funcionar conectados o desconectados de la red principal. Todo esto proporciona beneficios para el rendimiento general del sistema, si se administra y coordina de manera eficiente.
Electropedia define una microrred o microgrid como un grupo de cargas interconectadas y recursos energéticos distribuidos con límites eléctricos definidos, que forman un sistema de energía eléctrica local a niveles de tensión de distribución, es decir, tanto de baja como de media tensión hasta 35 kV. Este grupo de nodos de consumidores y productores asociados actúa como una única entidad controlable y puede operar en modo de isla o conectado a la red. Su caso de uso más propio es en una aplicación fuera de la red, que se denomina microgrid autónoma, independiente o aislada. Estas microrredes están mejor atendidas por fuentes de energía locales donde la transmisión y distribución de energía desde una importante fuente de energía centralizada es demasiado lejos y costosa de ejecutar. Ofrecen una opción para la electrificación rural en áreas remotas y en islas geográficas más pequeñas. Como entidad controlable, puede integrar eficazmente varias fuentes de generación distribuida (GD), especialmente las fuentes de energía renovable (RES).
Topologías de microrredes Son necesarias arquitecturas y herramientas para gestionar el flujo de energía de distintos tipos de fuentes hacia la red eléctrica. Por tanto, la microrgrid se puede clasificar en tres topologías:
Microrred AC En cuanto a la microgrid de tipo AC, las fuentes de energía con salida de CA se interconectan con el bus de CA a través del convertidor de CA / CA que transformará la frecuencia variable de CA y el voltaje en una forma de onda de CA con otra frecuencia a otro voltaje. Mientras que las fuentes de alimentación con salida CC utilizan convertidores CC / CA para la conexión al bus CA.
Microrred de CC En la topología de microgrid de CC, las fuentes de alimentación con salida de CC se conectan al bus de CC directamente o mediante convertidores CC / CC. Por otro lado, las fuentes de alimentación con salida AC se conectan al bus CC a través del convertidor AC / CC.
Microrred híbrida La microgrid híbrida tiene una topología para la salida de CA y CC de la fuente de alimentación. Además, los buses de CA y CC están conectados entre sí a través de un convertidor bidireccional, lo que permite que la energía fluya en ambas direcciones entre los dos buses. Tipos de redes
Entorno del campus o microrredes institucionales El enfoque de las microrredes del campus consiste en agregar la generación existente en el sitio para soportar múltiples cargas ubicadas en un área geográfica estrecha, donde un propietario puede administrarlas de forma fácil y rápida.
Microrredes comunitarias Las microrredes comunitarias pueden servir a miles de clientes y apoyar la integración de la energía local (electricidad, calefacción y refrigeración). Algunas casas pueden tener algunas fuentes renovables que pueden satisfacer su demanda, así como la de sus vecinos dentro de la misma comunidad. También puede tener almacenamientos de energía centralizados o distribuidos. Dichas microrredes pueden tener la forma de una microrred de CA y CC (tal y como está explicado en las tipologías) acopladas entre sí a través de un convertidor electrónico de potencia bidireccional.
Microrredes remotas fuera de la red Estas microrredes nunca se conectan a la macrorred y, en cambio, operan en modo isla en todo momento debido a problemas económicos o posición geográfica. Por lo general, una microgrid "fuera de la red" se construye en áreas que están muy lejos de cualquier infraestructura de transmisión y distribución y, por lo tanto, no tienen conexión a la red de servicios públicos. Operar en un área remota que está dominada por fuentes renovables reducirá el costo nivelado de producción de electricidad durante la vida de tales proyectos de microrredes.
Varias microrredes independientes pueden abastecer grandes áreas remotas, cada una con un propietario diferente. Aunque estas microrredes están diseñadas para ser autosuficientes en energía, las fuentes renovables intermitentes y sus variaciones inesperadas pueden causar un déficit de energía inesperado o una generación excesiva en esas microrredes. Esto provocará una desviación no asumible de voltaje o frecuencia en las microrredes. Para remediar tales situaciones, es posible interconectar tales microrredes provisionalmente a una otra cercana para intercambiar energía y mejorar las desviaciones de voltaje y frecuencia. Esto se puede conseguir mediante un interruptor basado en la electrónica de potencia después de una sincronización adecuada de dos convertidores electrónicos de potencia. La determinación de la necesidad de interconectar las microrredes vecinas y encontrar la microgrid adecuada con la que acoplar se puede lograr mediante enfoques de optimización o toma de decisiones.
Microrredes de bases militares Estas microrredes se están implementando activamente con un enfoque en la seguridad física y cibernética para instalaciones militares con el fin de garantizar una energía confiable sin depender de la macrorred .
Microrredes comerciales e industriales (C&I) Esta categoría de microrredes está madurando rápidamente en América del Norte y Asia oriental, concretamente en las primeras potencias del mundo a nivel tecnológico; sin embargo, la falta de estándares la limita a nivel mundial, por eso Europa apenas ha experimentado aún con esta categoría de microrred. La principal razón para la instalación de una microrred industrial se debe a la seguridad del suministro de energía. Hay muchos procesos de fabricación en los que una interrupción del suministro de energía puede causar grandes pérdidas de ingresos y un tiempo de puesta en marcha prolongado. Las microrredes industriales pueden diseñarse para suministrar procesos industriales de economía circular de casi emisión cero y pueden integrar la generación combinada de calor y energía (CHP), alimentada tanto por fuentes renovables como por procesamiento de residuos. Componentes básicos en microrredes
Generación local Uno de los primeros componentes fundamentales para la microgrid son los diferentes tipos de fuentes de generación que suministran electricidad, calefacción y refrigeración al usuario. Estas fuentes se dividen en dos grupos principales:
Fuentes de energía térmica como los generadores de gas natural o biogás o microcombustión de calor y energía. Fuentes de generación renovable como las turbinas eólicas y solar.
Consumo El segundo componente fundamental de una microgrid consiste en el consumo, que se refiere simplemente a los elementos que usan electricidad, calor y refrigeración, que van desde los dispositivos individuales hasta los sistemas de iluminación y calefacción de edificios, centros comerciales, etc. En el caso de cargas controlables, el consumo eléctrico puede modificarse de acuerdo con a las demandas de la red.
Almacenamiento de energía En microgrid, el almacenamiento de energía puede realizar múltiples funciones, por eso es otro de sus componentes fundamentales:
Garantiza la calidad de la energía, incluida la regulación de frecuencia y voltaje. Suaviza la producción de fuentes de energía renovables. Proporcionar energía de respaldo para el sistema. Desempeñar un papel crucial en la optimización de costos. E Implementa tecnologías químicas, eléctricas, de presión, gravitacionales y de almacenamiento de calor.
Por otra parte, cuando se encuentran disponibles en una microgrid múltiples almacenamientos de energía con varias capacidades, se prefiere coordinar su carga y descarga de modo que un almacenamiento de energía más pequeño no se descargue más rápido que aquellos con mayores capacidades. Asimismo, se prefiere que uno más pequeño no se cargue por completo antes que los de mayor capacidad. Esto se puede lograr bajo un control coordinado de los depósitos de energía en función de su estado de carga. Si se utilizan múltiples sistemas de almacenamiento de energía (trabajando en distintas tecnologías) y están controlados por una unidad de supervisión única (un sistema de gestión de energía) y un control jerárquico basado en una arquitectura maestro-esclavo puede garantizar las mejores operaciones.
Punto de acoplamiento común (PCC) Por último tenemos el PCC que es el punto en el circuito eléctrico donde una microrred está conectada a una red principal. Además destacan una serie de microrredes que no tienen un PCC y que se denominan microrredes aisladas que generalmente están presentes en sitios remotos donde una interconexión con la red principal no es factible debido a limitaciones técnicas o económicas.
Ventajas y desafíos de las microrredes
Ventajas Una microgrid es capaz de operar en modo conectado a la red y autónomo y de manejar la transición entre ambos:
En el modo conectado a la red, los servicios auxiliares se pueden proporcionar mediante la actividad comercial entre la mircrogrid y la red principal. Además hay otras posibles fuentes de ingresos. En el modo autónomo, la potencia real y generada dentro de la microgrid, incluida la proporcionada por el sistema de almacenamiento de energía, debe estar en equilibrio con la demanda de las cargas locales.
Las microrredes ofrecen una opción para equilibrar la necesidad de reducir las emisiones de carbono con continuar proporcionando energía eléctrica confiable en períodos de tiempo en los que las fuentes de energía renovables no están disponibles. También ofrecen la seguridad de estar reforzadas por el clima severo y los desastres naturales al no tener grandes activos y kilómetros de cables sobre el suelo y otra infraestructura eléctrica que deban ser mantenidos o reparados después de tales eventos.
Además, puede cambiar entre estos dos modos debido a:
Mantenimiento programado Calidad de energía degradada Escasez en la red principal por fallos en la red local o por razones económicas.
Mediante la modificación del flujo de energía a través de los componentes de las microrredes, estas facilitan la integración de energías renovables, como las generaciones fotovoltaicas, eólicas y de pilas de combustible, sin necesidad de rediseñar el sistema de distribución nacional. Los métodos de optimización modernos también se pueden incorporar al sistema de gestión de energía de la microgrid para mejorar la eficiencia y la economía.
Desafíos