Una red eléctrica es una red interconectada para el suministro de electricidad de los productores a los consumidores. Las redes eléctricas varían en tamaño y pueden cubrir países o continentes enteros. Consiste en: [1]
- centrales eléctricas : a menudo ubicadas cerca de la energía y lejos de áreas densamente pobladas
- subestaciones eléctricas para subir o bajar el voltaje
- Transmisión de energía eléctrica para transportar energía a largas distancias.
- distribución de energía eléctrica a clientes individuales, donde el voltaje se reduce nuevamente a los voltajes de servicio requeridos.
Aunque las redes eléctricas están muy extendidas, en 2016 [actualizar], 1.400 millones de personas en todo el mundo no estaban conectadas a una red eléctrica. [2] A medida que aumenta la electrificación , aumenta el número de personas con acceso a la red eléctrica. Aproximadamente 840 millones de personas (principalmente en África) no tenían acceso a la red eléctrica en 2017, frente a los 1200 millones de 2010. [3]
Las redes eléctricas pueden ser propensas a intrusiones o ataques maliciosos; por lo tanto, existe la necesidad de seguridad en la red eléctrica . Además, a medida que las redes eléctricas se modernizan e introducen tecnología informática, las amenazas cibernéticas comienzan a convertirse en un riesgo para la seguridad. [4] Las preocupaciones particulares se relacionan con los sistemas informáticos más complejos necesarios para gestionar las redes. [5]
Las redes casi siempre son síncronas, lo que significa que todas las áreas de distribución operan con frecuencias de corriente alterna (CA) trifásicas sincronizadas (de modo que los cambios de voltaje ocurren casi al mismo tiempo). Esto permite la transmisión de energía CA en toda el área, conectando un gran número de generadores y consumidores de electricidad y potencialmente permitiendo mercados de electricidad más eficientes y generación redundante.
La red combinada de transmisión y distribución es parte de la entrega de electricidad, conocida como la " red eléctrica " en América del Norte , o simplemente "la red". En el Reino Unido , India , Tanzania , Myanmar , Malasia y Nueva Zelanda , la red se conoce como National Grid.
Historia
La energía eléctrica temprana se producía cerca del dispositivo o servicio que requería esa energía. En la década de 1880, la electricidad competía con el vapor, la hidráulica y especialmente el gas de carbón . El gas de carbón se produjo por primera vez en las instalaciones del cliente, pero luego se convirtió en plantas de gasificación que disfrutaron de economías de escala . En el mundo industrializado, las ciudades tenían redes de gas canalizado, utilizadas para iluminación. Pero las lámparas de gas producían poca luz, desperdiciaban calor, calentaban y humeaban las habitaciones y emitían hidrógeno y monóxido de carbono . También representaban un peligro de incendio. En la década de 1880, la iluminación eléctrica pronto se volvió ventajosa en comparación con la iluminación de gas.
Las empresas de servicios eléctricos establecieron estaciones centrales para aprovechar las economías de escala y se trasladaron a la generación, distribución y gestión de sistemas centralizados. [6] Después de que la guerra de las corrientes se resolvió a favor de la energía CA , con la transmisión de energía a larga distancia se hizo posible interconectar estaciones para equilibrar las cargas y mejorar los factores de carga. Históricamente, las líneas de transmisión y distribución eran propiedad de la misma empresa, pero a partir de la década de 1990, muchos países han liberalizado la regulación del mercado eléctrico de formas que han llevado a la separación del negocio de transmisión de electricidad del negocio de distribución. [7]
En el Reino Unido, Charles Merz , de la sociedad consultora Merz & McLellan , construyó la central eléctrica Neptune Bank cerca de Newcastle upon Tyne en 1901, [8] y en 1912 se había convertido en el sistema eléctrico integrado más grande de Europa. [9] Merz fue nombrado jefe de un Comité Parlamentario y sus hallazgos llevaron al Informe Williamson de 1918, que a su vez creó el Proyecto de Ley de Suministro de Electricidad de 1919. El proyecto de ley fue el primer paso hacia un sistema eléctrico integrado. La Ley de (suministro) de electricidad de 1926 condujo al establecimiento de la Red Nacional. [10] La Junta Central de Electricidad estandarizó el suministro de electricidad del país y estableció la primera red de CA sincronizada, que funciona a 132 kilovoltios y 50 Hertz . Este comenzó a funcionar como un sistema nacional, National Grid , en 1938.
En los Estados Unidos en la década de 1920, las empresas de servicios públicos formaron operaciones conjuntas para compartir la cobertura de carga máxima y la energía de respaldo. En 1934, con la aprobación de la Public Utility Holding Company Act (EE. UU.), Las empresas de servicios eléctricos fueron reconocidas como bienes públicos de importancia y se les dieron restricciones detalladas y supervisión regulatoria de sus operaciones. La Ley de Política Energética de 1992 requería que los propietarios de líneas de transmisión permitieran a las empresas de generación eléctrica el acceso abierto a su red [6] [11] y condujo a una reestructuración del funcionamiento de la industria eléctrica en un esfuerzo por crear competencia en la generación de energía. Las empresas eléctricas ya no se construyeron como monopolios verticales, donde la generación, transmisión y distribución eran manejadas por una sola empresa. Ahora, las tres etapas podrían dividirse entre varias empresas, en un esfuerzo por brindar un acceso justo a la transmisión de alta tensión. [12] : 21 La Ley de Política Energética de 2005 permitió incentivos y garantías de préstamos para la producción de energía alternativa y el avance de tecnologías innovadoras que evitaran las emisiones de gases de efecto invernadero .
En Francia, la electrificación comenzó en la década de 1900, con 700 comunas en 1919 y 36.528 en 1938. Al mismo tiempo, estas redes cercanas comenzaron a interconectarse: París en 1907 a 12 kV, los Pirineos en 1923 a 150 kV y finalmente casi todo el país interconectado hacia 1938 a 220 kV. En 1946, la cuadrícula era la más densa del mundo. Ese año el estado nacionalizó la industria, uniendo las empresas privadas como Électricité de France . La frecuencia se estandarizó a 50 Hz y la red de 225 kV reemplazó a 110 kV y 120 kV. Desde 1956, la tensión de servicio se ha estandarizado en 220/380 V, en sustitución de los anteriores 127/220 V. Durante la década de 1970, se implementó la red de 400 kV, el nuevo estándar europeo.
En China, la electrificación comenzó en la década de 1950. [13] En agosto de 1961, se completó la electrificación de la sección Baoji-Fengzhou del ferrocarril Baocheng y se entregó para su funcionamiento, convirtiéndose en el primer ferrocarril electrificado de China . [14] De 1958 a 1998, el ferrocarril electrificado de China alcanzó las 6.200 millas (10.000 kilómetros). [15] A finales de 2017, este número alcanzó las 54.000 millas (87.000 kilómetros). [16] En el actual sistema de electrificación ferroviaria de China, State Grid Corporation of China es un importante proveedor de energía. En 2019, completó el proyecto de suministro de energía de los importantes ferrocarriles electrificados de China en sus áreas de operación, como el ferrocarril Jingtong , el ferrocarril Haoji , el ferrocarril de alta velocidad Zhengzhou-Wanzhou , etc., proporcionando garantía de suministro de energía para 110 estaciones de tracción, y su acumulación La longitud de construcción de la línea eléctrica alcanzó los 6.586 kilómetros. [17]
Componentes
Generacion
La generación de electricidad es el proceso de generar energía eléctrica a partir de fuentes de energía primaria, típicamente en las centrales eléctricas . Por lo general, esto se hace con generadores electromecánicos impulsados por motores térmicos o la energía cinética del agua o el viento. Otras fuentes de energía incluyen energía solar fotovoltaica y energía geotérmica .
La suma de las salidas de potencia de los generadores en la red es la producción de la red, generalmente medida en gigavatios (GW).
Transmisión
La transmisión de energía eléctrica es el movimiento masivo de energía eléctrica desde un sitio de generación, a través de una red de líneas interconectadas, hasta una subestación eléctrica , desde la cual se conecta al sistema de distribución. Este sistema de conexiones en red es distinto del cableado local entre las subestaciones de alta tensión y los clientes.
Debido a que la energía a menudo se genera lejos de donde se consume, el sistema de transmisión puede cubrir grandes distancias. Para una determinada cantidad de energía, la eficiencia de transmisión es mayor a voltajes más altos y amperajes más bajos. Por lo tanto, los voltajes se aumentan en la estación generadora y se reducen en las subestaciones locales para su distribución a los clientes.
La mayor parte de la transmisión es trifásica . La trifásica, en comparación con la monofásica, puede entregar mucha más potencia para una determinada cantidad de cable, ya que los cables neutro y de tierra son compartidos. [18] Además, los generadores y motores trifásicos son más eficientes que sus homólogos monofásicos.
Sin embargo, para los conductores convencionales, una de las principales pérdidas son las pérdidas resistivas, que son una ley cuadrada de la corriente y dependen de la distancia. Las líneas de transmisión de CA de alto voltaje pueden perder entre 1 y 4% por cada cien millas. [19] Sin embargo, la corriente continua de alto voltaje puede tener la mitad de pérdidas que la CA. En distancias muy largas, estas eficiencias pueden compensar el costo adicional de las estaciones convertidoras de CA / CC requeridas en cada extremo.
Las redes de transmisión son complejas con rutas redundantes. El diseño físico a menudo se ve obligado por la tierra disponible y su geología. La mayoría de las redes de transmisión ofrecen la confiabilidad que brindan las redes de malla más complejas . La redundancia permite que ocurran fallas en la línea y la energía simplemente se redirige mientras se realizan las reparaciones.
Subestaciones
Las subestaciones pueden realizar muchas funciones diferentes, pero normalmente transforman el voltaje de bajo a alto (subir) y de alto a bajo (bajar). Entre el generador y el consumidor final, la tensión puede transformarse varias veces. [21]
Los tres tipos principales de subestaciones, por función, son: [22]
- Subestación elevadora: transforman la tensión procedente de los generadores y centrales eléctricas en una tensión superior para que se pueda transmitir a largas distancias de forma más eficiente.
- Subestación reductora: transforman la tensión procedente de las líneas de transmisión en una tensión menor que puede utilizarse en la industria o enviarse a una subestación de distribución.
- Subestación de distribución: estos vuelven a reducir la tensión para la distribución a los usuarios finales.
Aparte de los transformadores, otros componentes o funciones importantes de las subestaciones incluyen:
- Disyuntores : se utilizan para interrumpir automáticamente un circuito y aislar una falla en el sistema. [23]
- Interruptores : para controlar el flujo de electricidad y aislar equipos. [24]
- La barra colectora de la subestación : típicamente un conjunto de tres conductores, uno para cada fase de la corriente. La subestación está organizada alrededor de los buses y están conectados a las líneas de entrada, transformadores, equipos de protección, interruptores y líneas de salida. [23]
- Pararrayos
- Condensadores para la corrección del factor de potencia
Distribución de energía eléctrica
La distribución es la etapa final en la entrega de energía; lleva electricidad desde el sistema de transmisión a los consumidores individuales. Las subestaciones se conectan al sistema de transmisión y reducen el voltaje de transmisión a voltaje medio que varía entre2 kV y35 kV . Las líneas de distribución primarias llevan esta energía de media tensión a los transformadores de distribución ubicados cerca de las instalaciones del cliente. Los transformadores de distribución vuelven a bajar el voltaje al voltaje de utilización . Los clientes que exigen una cantidad de energía mucho mayor pueden conectarse directamente al nivel de distribución principal o al nivel de subtransmisión . [25]
Las redes de distribución se dividen en dos tipos, radiales o de red. [26]
En las ciudades y pueblos de América del Norte, la cuadrícula tiende a seguir el diseño clásico de alimentación radial . Una subestación recibe su energía de la red de transmisión, la energía se reduce con un transformador y se envía a un bus desde el cual los alimentadores se despliegan en todas direcciones a través del campo. Estos alimentadores llevan energía trifásica y tienden a seguir las calles principales cerca de la subestación. A medida que aumenta la distancia desde la subestación, el despliegue continúa a medida que los laterales más pequeños se extienden para cubrir áreas pasadas por alto por los alimentadores. Esta estructura en forma de árbol crece hacia afuera desde la subestación, pero por razones de confiabilidad, generalmente contiene al menos una conexión de respaldo sin usar a una subestación cercana. Esta conexión se puede habilitar en caso de una emergencia, de modo que una parte del territorio de servicio de una subestación pueda ser alimentada alternativamente por otra subestación.
Funcionalidades
Frecuencia
En una red síncrona, todos los generadores deben funcionar a la misma frecuencia y deben permanecer casi en fase entre sí y con la red. Para los generadores rotativos, un gobernador local regula el par motor, manteniendo una velocidad constante a medida que cambia la carga. El control de velocidad de caída asegura que varios generadores paralelos compartan los cambios de carga en proporción a su clasificación. La generación y el consumo deben equilibrarse en toda la red, porque la energía se consume a medida que se produce. La energía se almacena en el corto plazo inmediato por la energía cinética rotacional de los generadores.
Las pequeñas desviaciones de la frecuencia nominal del sistema son muy importantes para regular los generadores individuales y evaluar el equilibrio de la red en su conjunto. Cuando la red está muy cargada, la frecuencia se ralentiza y los reguladores ajustan sus generadores para que salga más potencia ( control de velocidad de caída ). Cuando la red tiene una carga ligera, la frecuencia de la red es superior a la frecuencia nominal, y los sistemas de control automático de generación de la red lo toman como una indicación de que los generadores deben reducir su producción.
Además, a menudo existe un control central, que puede cambiar los parámetros de los sistemas AGC en escalas de tiempo de un minuto o más para ajustar aún más los flujos de la red regional y la frecuencia de operación de la red. Para fines de cronometraje, se permitirá que la frecuencia nominal varíe en el corto plazo, pero se ajustará para evitar que los relojes operados por línea ganen o pierdan un tiempo significativo en el transcurso de un período completo de 24 horas.
Una red síncrona completa funciona a la misma frecuencia, las redes vecinas no se sincronizarían incluso si funcionan a la misma frecuencia nominal. Se pueden utilizar líneas de corriente continua de alto voltaje o transformadores de frecuencia variable para conectar dos redes de interconexión de corriente alterna que no estén sincronizadas entre sí. Esto proporciona el beneficio de la interconexión sin la necesidad de sincronizar un área aún más amplia. Por ejemplo, compare el mapa de cuadrícula síncrona de área amplia de Europa con el mapa de líneas HVDC.
Voltaje
Las redes están diseñadas para suministrar electricidad a sus clientes a voltajes en gran parte constantes. Esto debe lograrse con demanda variable, cargas reactivas variables e incluso cargas no lineales, con electricidad proporcionada por generadores y equipos de distribución y transmisión que no son perfectamente confiables. [27] A menudo, las redes utilizan cambiadores de tomas en transformadores cerca de los consumidores para ajustar el voltaje y mantenerlo dentro de las especificaciones.
Demanda
La demanda o carga en una red eléctrica es la potencia eléctrica total que eliminan los usuarios de la red.
El gráfico de la demanda a lo largo del tiempo se denomina curva de demanda .
La carga base es la carga mínima en la red durante un período determinado, la demanda máxima es la carga máxima. Históricamente, la carga de base se cumplía comúnmente con equipos que eran relativamente baratos de ejecutar, que funcionaban continuamente durante semanas o meses seguidos, pero a nivel mundial esto se está volviendo menos común. Los requisitos de demanda pico adicionales a veces son producidos por costosas plantas de picos que son generadores optimizados para entrar en línea rápidamente, pero estos también se están volviendo menos comunes.
Capacidad y capacidad firme
La suma de las potencias máximas ( capacidad nominal ) de los generadores conectados a una red eléctrica podría considerarse la capacidad de la red.
Sin embargo, en la práctica, nunca se ejecutan a fondo de forma simultánea. Por lo general, algunos generadores se mantienen funcionando a potencias de salida más bajas ( reserva de rotación ) para hacer frente a fallas y variaciones en la demanda. Además, los generadores pueden estar fuera de línea por mantenimiento u otras razones, como la disponibilidad de insumos de energía (combustible, agua, viento, sol, etc.) o restricciones de contaminación.
La capacidad firme es la potencia máxima de salida en una red que está disponible inmediatamente durante un período de tiempo determinado, y es una cifra mucho más útil.
Manejo de fallas
Las fallas generalmente están asociadas con generadores o líneas de transmisión de energía que disparan interruptores automáticos debido a fallas que conducen a una pérdida de capacidad de generación para los clientes o al exceso de demanda. Esto a menudo hará que la frecuencia se reduzca y los generadores restantes reaccionarán y juntos intentarán estabilizarse por encima del mínimo. Si eso no es posible, pueden ocurrir varios escenarios.
Una falla grande en una parte de la red, a menos que se compense rápidamente, puede hacer que la corriente se desvíe para fluir desde los generadores restantes a los consumidores a través de líneas de transmisión de capacidad insuficiente, lo que provocará más fallas. Una desventaja de una red ampliamente conectada es, por lo tanto, la posibilidad de fallas en cascada y cortes de energía generalizados . Por lo general, se designa una autoridad central para facilitar la comunicación y desarrollar protocolos para mantener una red estable. Por ejemplo, la North American Electric Reliability Corporation obtuvo poderes vinculantes en los Estados Unidos en 2006 y tiene poderes de asesoramiento en las partes correspondientes de Canadá y México. El gobierno de Estados Unidos también ha designado Corredores de Transmisión Eléctrica de Interés Nacional , donde cree que se han desarrollado cuellos de botella en la transmisión.
Apagón
Una caída de voltaje es una gota intencionada o no intencionada en el voltaje en una eléctrica fuente de alimentación del sistema. Las caídas de tensión intencionales se utilizan para reducir la carga en una emergencia. [28] La reducción dura minutos u horas, a diferencia de la caída (o caída) de voltaje a corto plazo . El término apagón proviene de la atenuación que experimenta la iluminación incandescente cuando el voltaje desciende. Una reducción de voltaje puede ser un efecto de la interrupción de una red eléctrica, o puede imponerse ocasionalmente en un esfuerzo por reducir la carga y prevenir un corte de energía , conocido como apagón . [29]
Apagón
Un corte de energía (también llamado un corte de energía , un cabo de potencia , un apagón , fallo de alimentación o un apagón ) es una pérdida de la energía eléctrica a un área particular.
Las fallas de energía pueden ser causadas por fallas en las centrales eléctricas, daños a las líneas de transmisión eléctrica, subestaciones u otras partes del sistema de distribución , un cortocircuito , falla en cascada , operación de fusibles o disyuntores y errores humanos.
Los cortes de energía son particularmente críticos en sitios donde el medio ambiente y la seguridad pública están en riesgo. Instituciones tales como hospitales , plantas de tratamiento de aguas residuales , minas , refugios y similares generalmente tendrán fuentes de energía de respaldo, como generadores de reserva , que se encenderán automáticamente cuando se corte la energía eléctrica. Otros sistemas críticos, como las telecomunicaciones , también deben tener energía de emergencia. La sala de baterías de una central telefónica generalmente tiene conjuntos de baterías de plomo-ácido para respaldo y también un enchufe para conectar un generador durante períodos prolongados de interrupción.
Desconexión de carga
Es posible que los sistemas de transmisión y generación eléctrica no siempre cumplan con los requisitos de demanda máxima, la mayor cantidad de electricidad requerida por todos los clientes de servicios públicos dentro de una región determinada. En estas situaciones, la demanda general debe reducirse, ya sea apagando el servicio a algunos dispositivos o reduciendo el voltaje de suministro ( caídas de voltaje ), para evitar interrupciones incontroladas del servicio, como cortes de energía (apagones generalizados) o daños al equipo. Las empresas de servicios públicos pueden imponer un recorte de carga en las áreas de servicio a través de apagones específicos, apagones continuos o mediante acuerdos con consumidores industriales específicos de alto uso para apagar los equipos en momentos de máxima demanda en todo el sistema.
Inicio negro
Un arranque negro es el proceso de restaurar una central eléctrica o una parte de una red eléctrica para que funcione sin depender de la red de transmisión de energía eléctrica externa para recuperarse de un cierre total o parcial. [30]
Normalmente, la energía eléctrica utilizada dentro de la planta proviene de los propios generadores de la estación. Si todos los generadores principales de la planta se apagan, la energía de servicio de la estación se proporciona extrayendo energía de la red a través de la línea de transmisión de la planta. Sin embargo, durante un apagón en un área extensa, la energía eléctrica externa a la red no está disponible. En ausencia de la red eléctrica, el llamado principio negro tiene que llevar a cabo para arrancar la red eléctrica en funcionamiento.
Para proporcionar un arranque en negro, algunas centrales eléctricas tienen pequeños generadores diésel , normalmente llamados generador diésel de arranque en negro (BSDG), que se puede utilizar para arrancar generadores más grandes (de varios megavatios de capacidad), que a su vez se pueden utilizar para arrancar el principal. Generadores de centrales eléctricas. Las plantas generadoras que utilizan turbinas de vapor requieren una potencia de servicio de la estación de hasta el 10% de su capacidad para bombas de agua de alimentación de calderas, sopladores de aire de combustión de tiro forzado de calderas y para la preparación de combustible. No es económico proporcionar una capacidad de reserva tan grande en cada estación, por lo que se debe proporcionar energía de arranque en negro a través de las líneas de conexión designadas desde otra estación. A menudo, las plantas de energía hidroeléctrica se designan como fuentes de arranque negro para restaurar las interconexiones de la red. Una estación hidroeléctrica necesita muy poca energía inicial para arrancar (solo la suficiente para abrir las compuertas de admisión y proporcionar corriente de excitación a las bobinas de campo del generador), y puede poner un gran bloque de energía en línea muy rápidamente para permitir el arranque de combustibles fósiles. o centrales nucleares. Ciertos tipos de turbinas de combustión pueden configurarse para arranque en negro, proporcionando otra opción en lugares sin plantas hidroeléctricas adecuadas. [31] En 2017, una empresa de servicios públicos en el sur de California demostró con éxito el uso de un sistema de almacenamiento de energía de batería para proporcionar un arranque en negro, encendiendo una turbina de gas de ciclo combinado desde un estado inactivo. [32]
Escala
Microrred
Una microrred es una red local que suele formar parte de la red síncrona regional de área amplia, pero que puede desconectarse y funcionar de forma autónoma. [33] Podría hacer esto en momentos en que la red principal se vea afectada por cortes. Esto se conoce como isla y puede ejecutarse indefinidamente con sus propios recursos.
En comparación con las redes más grandes, las microrredes suelen utilizar una red de distribución de voltaje más bajo y generadores distribuidos. [34] Las microrredes no solo pueden ser más resistentes, sino que pueden ser más baratas de implementar en áreas aisladas.
Un objetivo del diseño es que un área local produzca toda la energía que utiliza. [33]
Las implementaciones de ejemplo incluyen:
- Hajjah y Lahj , Yemen: microrredes solares de propiedad comunitaria. [35]
- Programa piloto Île d'Yeu : sesenta y cuatro paneles solares con una capacidad máxima de 23,7 kW en cinco casas y una batería con una capacidad de almacenamiento de 15 kWh. [36] [37]
- Les Anglais , Haití: [38] incluye detección de robo de energía. [39]
- Mpeketoni , Kenia: un sistema de microrred de energía diesel basado en la comunidad. [40]
- Bodega Stone Edge Farm: micro-turbina, celda de combustible, batería múltiple, electrolizador de hidrógeno y bodega habilitada para PV en Sonoma, California . [41] [42]
Rejilla síncrona de área amplia
Una red síncrona de área amplia , también conocida como "interconexión" en América del Norte, conecta directamente muchos generadores que suministran energía de CA con la misma frecuencia relativa a muchos consumidores. Por ejemplo, hay cuatro interconexiones principales en América del Norte (la interconexión occidental , la interconexión oriental , la interconexión de Quebec y la interconexión de Texas ). En Europa, una gran red conecta la mayor parte de Europa continental .
Una red síncrona de área amplia (también llamada "interconexión" en América del Norte) es una red eléctrica a escala regional o superior que opera a una frecuencia sincronizada y está conectada eléctricamente durante las condiciones normales del sistema. Estas también se conocen como zonas síncronas, la mayor de las cuales es la red síncrona de Europa Continental (ENTSO-E) con 667 gigavatios (GW) de generación, y la región más amplia atendida es la del sistema IPS / UPS que atiende a los países del antigua Unión Soviética. Las redes síncronas con amplia capacidad facilitan el comercio del mercado eléctrico en amplias áreas. En la ENTSO-E en 2008, se vendieron más de 350.000 megavatios hora por día en la Bolsa Europea de Energía (EEX). [43]
Cada una de las interconexiones en América del Norte funcionan a una frecuencia nominal de 60 Hz, mientras que las de Europa funcionan a 50 Hz. Vecinos interconexiones con la misma frecuencia y estándares pueden ser sincronizado y directamente conectados para formar una interconexión más grande, o pueden compartir el poder sin sincronización a través de alta tensión de corriente continua de líneas de transmisión de energía ( lazos DC ), o con transformadores de frecuencia variable (VFTs) , que permiten un flujo de energía controlado y, al mismo tiempo, aíslan funcionalmente las frecuencias de CA independientes de cada lado.
Los beneficios de las zonas síncronas incluyen la puesta en común de la generación, lo que resulta en menores costos de generación; agrupación de la carga, lo que tiene como resultado efectos de compensación significativos; aprovisionamiento común de reservas, lo que resulta en costos de energía de reserva primaria y secundaria más baratos; apertura del mercado, lo que da como resultado la posibilidad de contratos a largo plazo e intercambios de energía a corto plazo; y asistencia mutua en caso de disturbios. [44]
Una desventaja de una red síncrona de área amplia es que los problemas en una parte pueden tener repercusiones en toda la red. Por ejemplo, en 2018 Kosovo usó más energía de la que generó debido a una disputa con Serbia , lo que llevó a que la fase en toda la red sincrónica de Europa continental se quedara atrás de lo que debería haber sido. La frecuencia bajó a 49,996 Hz. Esto provocó que ciertos tipos de relojes se retrasaran seis minutos. [45]
Las redes sincrónicas de Europa
Las dos interconexiones principales y tres menores de América del Norte
Los principales WASG en todo el mundo
Super cuadrícula
Una superred o supergrid es una red de transmisión de área amplia que tiene como objetivo hacer posible el comercio de grandes volúmenes de electricidad a grandes distancias. A veces también se la conoce como megarejilla . Las superredes pueden apoyar una transición energética global suavizando las fluctuaciones locales de la energía eólica y solar . En este contexto, se consideran una tecnología clave para mitigar el calentamiento global . Las superredes suelen utilizar corriente continua de alto voltaje (HVDC) para transmitir electricidad a largas distancias. La última generación de líneas eléctricas HVDC puede transmitir energía con pérdidas de solo el 1,6% por 1000 km. [46]
Las empresas eléctricas entre regiones están muchas veces interconectadas para mejorar la economía y la confiabilidad. Los interconectores eléctricos permiten economías de escala, lo que permite comprar energía de fuentes grandes y eficientes. Las empresas de servicios públicos pueden extraer energía de las reservas de generadores de una región diferente para garantizar una energía continua y confiable y diversificar sus cargas. La interconexión también permite que las regiones tengan acceso a energía a granel barata al recibir energía de diferentes fuentes. Por ejemplo, una región puede estar produciendo energía hidroeléctrica barata durante las temporadas de agua alta, pero en las temporadas de agua baja, otra área puede estar produciendo energía más barata a través del viento, lo que permite que ambas regiones accedan a fuentes de energía más baratas durante diferentes épocas del año. Los servicios públicos vecinos también ayudan a otros a mantener la frecuencia general del sistema y también ayudan a administrar las transferencias de enlace entre las regiones de servicios públicos. [12]
El nivel de interconexión eléctrica (EIL) de una red es la relación entre la potencia total del interconector y la red dividida por la capacidad de producción instalada de la red. Dentro de la UE, se ha fijado el objetivo de que las redes nacionales alcancen el 10% para 2020 y el 15% para 2030. [47]
Tendencias
Respuesta de la demanda
La respuesta a la demanda es una técnica de gestión de la red en la que se solicita o incentiva a los clientes minoristas o mayoristas, ya sea de forma electrónica o manual, para reducir su carga. Actualmente, los operadores de la red de transmisión utilizan la respuesta a la demanda para solicitar la reducción de carga de los principales usuarios de energía, como las plantas industriales. [48] Tecnologías como la medición inteligente pueden alentar a los clientes a utilizar la energía cuando hay mucha electricidad al permitir precios variables.
Infraestructura de envejecimiento
A pesar de los nuevos arreglos institucionales y diseños de redes de la red eléctrica, sus infraestructuras de suministro de energía sufren un envejecimiento en todo el mundo desarrollado. Los factores que contribuyen al estado actual de la red eléctrica y sus consecuencias incluyen:
- Equipo envejecido: el equipo más antiguo tiene tasas de falla más altas , lo que lleva a tasas de interrupción de clientes que afectan la economía y la sociedad; Además, los activos e instalaciones más antiguos generan costos de mantenimiento de inspección más altos y costos adicionales de reparación y restauración .
- Disposición del sistema obsoleta: las áreas más antiguas requieren serios sitios de subestaciones adicionales y derechos de paso que no se pueden obtener en el área actual y se ven obligados a utilizar las instalaciones existentes e insuficientes.
- Ingeniería obsoleta: las herramientas tradicionales para la planificación e ingeniería de suministro de energía son ineficaces para abordar los problemas actuales de equipos viejos, diseños de sistemas obsoletos y niveles de carga modernos desregulados.
- El antiguo valor cultural: la planificación , la ingeniería , el funcionamiento del sistema utilizando conceptos y procedimientos que funcionaban en una industria integrada verticalmente exacerban el problema en una industria desregulada. [49]
Generación distribuida
Con todo interconectado y la competencia abierta que ocurre en una economía de libre mercado , comienza a tener sentido permitir e incluso fomentar la generación distribuida (GD). Los generadores más pequeños, que generalmente no son propiedad de la empresa de servicios públicos, se pueden conectar en línea para ayudar a suplir la necesidad de energía. La instalación de generación más pequeña podría ser un propietario con un exceso de energía de su panel solar o turbina eólica. Podría ser una pequeña oficina con un generador diesel. Estos recursos pueden ponerse en línea ya sea a instancias de la empresa de servicios públicos o por el propietario de la generación en un esfuerzo por vender electricidad. A muchos pequeños generadores se les permite vender electricidad a la red por el mismo precio que pagarían por comprarla.
A medida que avanza el siglo XXI, la industria de servicios eléctricos busca aprovechar enfoques novedosos para satisfacer la creciente demanda de energía. Las empresas de servicios públicos están bajo presión para evolucionar sus topologías clásicas para adaptarse a la generación distribuida. A medida que la generación se vuelve más común a partir de generadores eólicos y solares en los tejados, las diferencias entre las redes de distribución y transmisión continuarán difuminando. En julio de 2017, el CEO de Mercedes-Benz dijo que la industria energética necesita trabajar mejor con empresas de otras industrias para formar un "ecosistema total", para integrar recursos energéticos centrales y distribuidos (DER) para dar a los clientes lo que quieren. La red eléctrica se construyó originalmente para que la electricidad fluyera de los proveedores de energía a los consumidores. Sin embargo, con la introducción de DER, la energía debe fluir en ambos sentidos en la red eléctrica, porque los clientes pueden tener fuentes de energía como paneles solares. [50]
Red inteligente
La red inteligente sería una mejora de la red eléctrica del siglo XX, utilizando comunicaciones bidireccionales y los llamados dispositivos inteligentes distribuidos. Los flujos bidireccionales de electricidad e información podrían mejorar la red de distribución. La investigación se centra principalmente en tres sistemas de una red inteligente: el sistema de infraestructura, el sistema de gestión y el sistema de protección. [51]
El sistema de infraestructura es la infraestructura de energía, información y comunicaciones subyacente de la red inteligente que respalda:
- Generación, entrega y consumo avanzados de electricidad
- Medición, monitoreo y administración avanzados de información
- Tecnologías de comunicación avanzadas
Una red inteligente permitiría a la industria de la energía observar y controlar partes del sistema con mayor resolución en el tiempo y el espacio. [52] Uno de los propósitos de la red inteligente es el intercambio de información en tiempo real para que la operación sea lo más eficiente posible. Permitiría la gestión de la red en todas las escalas de tiempo, desde dispositivos de conmutación de alta frecuencia en una escala de microsegundos, hasta variaciones de producción eólica y solar en una escala de minutos, hasta los efectos futuros de las emisiones de carbono generadas por la producción de energía en una escala de una década.
El sistema de gestión es el subsistema de la red inteligente que proporciona servicios avanzados de gestión y control. La mayoría de los trabajos existentes tienen como objetivo mejorar la eficiencia energética, el perfil de demanda, la utilidad, el costo y las emisiones, basándose en la infraestructura mediante el uso de optimización , aprendizaje automático y teoría de juegos . Dentro del marco de infraestructura avanzada de la red inteligente, se espera que surjan más y más aplicaciones y servicios de administración nuevos y, finalmente, revolucionen la vida cotidiana de los consumidores.
El sistema de protección de una red inteligente proporciona análisis de confiabilidad de la red, protección contra fallas y servicios de protección de seguridad y privacidad. Si bien la infraestructura de comunicación adicional de una red inteligente proporciona mecanismos de protección y seguridad adicionales, también presenta un riesgo de ataques externos y fallas internas. En un informe sobre la seguridad cibernética de la tecnología de redes inteligentes elaborado por primera vez en 2010 y luego actualizado en 2014, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. Señaló que la capacidad de recopilar más datos sobre el uso de energía de los medidores inteligentes de los clientes también plantea importantes preocupaciones de privacidad. , ya que la información almacenada en el medidor, que es potencialmente vulnerable a violaciones de datos , se puede extraer para obtener detalles personales sobre los clientes. [53]
En los EE. UU., La Ley de Política Energética de 2005 y el Título XIII de la Ley de Seguridad e Independencia Energética de 2007 proporcionan fondos para fomentar el desarrollo de redes inteligentes. El objetivo es permitir a las empresas de servicios públicos predecir mejor sus necesidades y, en algunos casos, involucrar a los consumidores en una tarifa de tiempo de uso. También se han asignado fondos para desarrollar tecnologías de control de energía más sólidas. [54] [55]
Deserción de la red
Dado que existe cierta resistencia en el sector de servicios eléctricos a los conceptos de generación distribuida con varias fuentes de energía renovable y unidades de cogeneración a microescala , varios autores han advertido que la deserción de la red a gran escala ( definición necesaria ) es posible porque los consumidores pueden producir electricidad sin conexión a la red. sistemas compuestos principalmente por tecnología solar fotovoltaica . [56] [57] [58]
El Rocky Mountain Institute ha propuesto que puede haber una deserción de la red a gran escala. [59] Esto está respaldado por estudios en el Medio Oeste. [60] Sin embargo, el documento señala que la deserción de la red puede ser menos probable en países como Alemania, que tienen mayores demandas de energía en invierno. [61]
Ver también
- Código de red : una especificación para equipos conectados a la red
- Conexión a la red
- Barreras cortafuegos para transformadores de alto voltaje
- Corporación de Confiabilidad Eléctrica de América del Norte (NERC)
- Ley de electrificación rural
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enlaces externos
- Mapa de generación y transmisión de EE. UU.
- El sistema eléctrico de EE. UU. Está compuesto por las autoridades de interconexión y equilibrio , la Administración de Información de Energía de EE . UU. (EIA).