La red eléctrica original en EE. UU. se diseñó en 1882, para conectar grandes estaciones generadoras centrales a un sistema de distribución que alimentaba directamente la demanda de los clientes, a través de un sistema de transmisión de alto voltaje (HV). Los primeros sistemas de distribución se construyeron en Manhattan y Nueva Jersey. Estos sistemas usaban corriente continua a través de un cableado de cobre.
Las estaciones generadoras generalmente consistían en calderas de vapor que usaban combustibles fósiles e hidro turbinas, a fin de producir electricidad. A lo largo de las décadas, la tecnología se fue desarrollando en un entorno operativo y regulatorio organizado. Hasta hace poco tiempo, el consumo de energía fue creciendo a tasas predecibles y manejables.
Aunque la red eléctrica se ha actualizado continuamente, la creciente demanda actual de energía eléctrica en la industria, y en todos los otros aspectos de nuestras vidas, continúa acelerándose cada año. Los vehículos eléctricos por sí solos aumentarán la carga total en la red en aproximadamente un 25 % (fuente: USDOT). Las políticas públicas, la economía y las innovaciones tecnológicas seguirán impulsando el rápido cambio en la red eléctrica. La industria de la energía eléctrica avanza rápidamente con el objetivo de proporcionar electricidad confiable a partir de recursos renovables cada vez más limpios y económicos.
En esta edición de “Todo Bajo Control”, presentaremos una descripción general de lo que se necesita para fortalecer la red eléctrica y garantizar que se satisfagan las futuras necesidades de electricidad de los Estados Unidos.
Desarrollos tecnológicos en curso
Desde su inicio hace 140 años, ha habido considerables avances tecnológicos en la red eléctrica de los Estados Unidos. A lo largo de los años, la red se ha actualizado continuamente con nuevas tecnologías, incluyendo fuentes de generación de electricidad más eficientes y mas respetuosas del medio ambiente, tal como la energía solar. Se han desarrollado equipos de mayor voltaje, así también como sistemas electrónicos de potencia en forma de corriente continua de alto voltaje (HVdc) y sistemas flexibles de transmisión de corriente alterna (FACTS).
Hoy en día, la red consta de más de 9200 estaciones generadoras con más de un millón de megavatios de capacidad de generación que viajan a través de más de 300,000 millas de líneas de transmisión. Aunque la red eléctrica se considera una proeza de la ingeniería, su naturaleza fragmentada, (tipo mosaico), hace que su capacidad se esté utilizando casi al máximo, lo que requerirá, a medida que se avance un nuevo tipo de red eléctrica. Esta red deberá ser construida de forma tal que pueda manejar la introducción de tecnologías y equipos digitales y computarizados a medida que se desarrolla. Necesitaremos un sistema que pueda automatizar y administrar la creciente complejidad y las necesidades de electricidad para el siglo XXI y más allá.
Grandes cambios en la mezcla de combustible
La creación de mercados eléctricos mayoristas y las mayores exigencias derivadas del aumento de las políticas ambientales provocaron cambios significativos en la combinación de combustibles utilizados en las estaciones generadoras. Esta combinación ha pasado de la generación en base carbón y a energía nuclear, a unidades eficientes de ciclo combinado alimentadas con gas natural. Una central eléctrica de ciclo combinado utiliza una turbina de gas y una de vapor juntas para producir hasta un 50 % más de electricidad, utilizando la misma cantidad de combustible que una central de ciclo simple tradicional. El calor residual de la turbina de gas se direcciona a la turbina de vapor cercana, a fin de generar energía adicional.
Existe cierta tensión entre los mercados eléctricos mayoristas y las políticas públicas que subsidian o promueven el uso de recursos energéticos renovables y la eficiencia energética. Independientemente, la economía de los recursos de energía renovable, especialmente la energía solar, se ha vuelto cada vez más favorable. Las aplicaciones de energía renovable han dado como resultado la sostenibilidad ambiental y la reducción de costos para los consumidores.
Sistema de flujo de energía bidireccional
El sistema de energía eléctrica de EE. UU. ha hecho la transición al nuevo sistema de flujo de energía bidireccional a un ritmo acelerado y continúa avanzando rápidamente. Como parte del concepto “Smart Grid”, el sistema bidireccional es una red eléctrica que permite un flujo bidireccional de electricidad y datos. La implementación del flujo de energía bidireccional es reconocido con frecuencia como un primer paso hacia la red inteligente.
¿Qué hace que la red sea inteligente (Smart Grid)?
Smart Grid utiliza tecnología digital que permite la comunicación bidireccional entre la empresa de servicios públicos y sus clientes, así como la detección de las máximas demandas a lo largo de las líneas de transmisión. La Red Inteligente consistirá en controles, computadoras, automatización, nuevas tecnologías y equipos trabajando juntos. Estas tecnologías funcionarán como parte del Smart Grid para responder digitalmente a nuestra demanda eléctrica que cambia rápidamente.
Implementación de la red inteligente
Para avanzar en la implementación de la Red Inteligente, se están produciendo muchos cambios. La antigua red debe modificarse de abajo hacia arriba, y debe ser capaz de administrar la abundancia de equipos digitales y computarizados y la nueva tecnología involucrada. Smart Grid automatizará y administrará la creciente complejidad y las necesidades de electricidad para hoy y en el futuro.
¿Qué puede hacer una red inteligente?
La red inteligente de EE. UU. ofrece una oportunidad increíble para llevar la industria energética a una nueva era de confiabilidad, disponibilidad y eficiencia que contribuirá a la salud económica y ambiental de nuestro país. Durante la transición, será fundamental realizar pruebas, mejoras tecnológicas, educación del consumidor, desarrollo de normas y reglamentos, así como el intercambio de información necesario para garantizar que los beneficios que imaginamos de la red inteligente se conviertan en realidad.
Beneficios de construir la Red Inteligente
- Transmisión de electricidad más eficiente
- Mejoramiento en los servicios de atención al cliente de las empresas de servicios públicos
- Restauración más rápida de la electricidad después de cortes de energía
- Reducciones de costos de operación y administración para las empresas de servicios públicos
- Costos de energía resultantes más bajos para los consumidores
- Mayor control durante los picos de demanda, implicando una potencial reducción de las tarifas de electricidad
- Mayor integración de sistemas de generación de energía renovable a gran escala
- Integración mejorada de los sistemas de generación de energía propiedad del cliente, incluidos los sistemas de energía renovable
- Respuesta y seguridad mejoradas
Las empresas de servicios públicos utilizan la medición inteligente
Hoy en día, el uso de medidores inteligentes se encuentra principalmente en el contexto de la infraestructura de medición avanzada (AMI). Las empresas de servicios públicos implementan AMI en el ámbito de los proyectos de redes inteligentes, hogares inteligentes, edificios inteligentes, oficinas inteligentes y en la evolución de las ciudades inteligentes.
La medición inteligente ha sido utilizada principalmente por las empresas de servicios públicos que atienden a clientes residenciales, en los proyectos de medición inteligente de energía. Los medidores inteligentes pueden comunicarse con otros dispositivos, como electrodomésticos inteligentes y equipos domésticos, y pueden ser monitoreados y controlados de forma remota por el operador del servicio de distribución de servicios públicos (DSO).
Los consumidores que tienen instalaciones solares en sus hogares que producen más electricidad de la que pueden usar tienen la opción de vender esa electricidad a la empresa de servicios públicos local. Esos clientes están siendo etiquetados como "prosumers", (productores/consumidores). A los fines de la facturación, los medidores inteligentes realizarán un seguimiento de las cantidades de electricidad utilizada proveniente de la empresa de servicios públicos y la cantidad de electricidad que le venden a la empresa de servicios públicos.
Los medidores inteligentes no se implementan simplemente con fines de facturación y para realizar un seguimiento del consumo de energía. Las empresas de servicios eléctricos también los utilizan para monitorear la calidad de la energía y mejorar el flujo de energía y el servicio.
Los medidores inteligentes brindan a las empresas de servicios públicos la oportunidad de intervenir más rápido en caso de problemas, tales como la interrupción del servicio. En relación a otras partes de la red, los medidores inteligentes también se utilizan para la automatización de subestaciones, la detección de líneas y el control de equipos.
Utilizando tecnologías IoT
Los medidores inteligentes que utilizan tecnologías de Internet de las Cosas (IoT) pueden proporcionar datos en tiempo real para varios propósitos y diferentes tipos de usuarios. Para las empresas de servicios públicos los medidores inteligentes proporcionaron inicialmente un método para cambiar sus modelos de tarifas en consonancia con los costos y la demanda. Asimismo, para eliminar los costos de las lecturas manuales de medidores. A veces, los proyectos de medición inteligente han encontrado resistencia en determinados contextos de consumo debido a preocupaciones relacionadas con la privacidad.
Las empresas también utilizan IoT con medidores inteligentes para realizar un seguimiento de la energía que consumen. Esto les permite iniciar medidas para reducir el uso de energía para controlar mejor los costos. En algunos entornos, la medición inteligente se usa para medir el costo de la energía en diferentes áreas de un edificio y realizar un seguimiento de la calidad de la energía en estas diferentes áreas.
Medición del consumo de electricidad
Los medidores inteligentes miden la cantidad de energía que se consume, así como la cantidad de energía que se transmite a la red. A intervalos regulares, los datos se envían a los operadores de redes de distribución que los utilizan para mapear los picos de consumo y obtener información, mientras se los pasan al proveedor de energía para fines de facturación. Una de las promesas de los medidores inteligentes es una medición y facturación más precisas, a menudo también en combinación con precios dinámicos.
Con la creciente demanda de energía y la creciente necesidad de electrificación, digitalización y descentralización, junto con la adición de nuevas fuentes de energía renovable, los medidores inteligentes se consideran críticos para el sector eléctrico. Son absolutamente vitales en la búsqueda de un mayor despliegue de fuentes de energía renovable, así como en el entorno del consumidor, donde los automóviles eléctricos y el uso de teléfonos, computadoras, baterías de almacenamiento y bombas de calor inteligentes aumentan continuamente.
Respuesta rápida a las interrupciones
Hoy en día, una interrupción del servicio eléctrico puede tener efectos de largo alcance. Una interrupción del servicio puede provocar una serie de fallos que afectarán a muchos tipos de comunicaciones en nuestras vidas. El servicio a domicilio sería solo un aspecto de preocupación, pero el almacenamiento, el control de tráfico y la seguridad en muchas áreas dejarían de operar. Las interrupciones son un problema importante en algunas partes del país durante el invierno, cuando los hogares pueden quedarse sin calefacción.
Una red inteligente agregará resiliencia a nuestro sistema de energía eléctrica y nos permitirá estar mejor preparados para manejar emergencias tales como tormentas severas, tornados, terremotos y ataques terroristas. Debido a su capacidad de comunicaciones interactivas bidireccionales, Smart Grid permitirá un cambio de ruta automático cuando ante la falla de un equipo o cuando se produzcan interrupciones, minimizando de esta manera las interrupciones y los problemas resultantes cuando ocurran.
Detectar y aislar cortes de energía
Cuando ocurre un corte de energía, las tecnologías Smart Grid detectarán y aislarán los cortes, manejándolos antes de que se conviertan en apagones a gran escala. Las nuevas tecnologías también ayudarán a garantizar que la recuperación de electricidad se reanude de manera rápida y estratégica después de un apagón. Esto significa tener la capacidad de direccionar la electricidad primero a los servicios de emergencia. Además, Smart Grid aprovechará más en estos casos los generadores de energía de los clientes, para producir energía cuando no esté disponible en las empresas de servicios públicos.
Al combinar estos recursos energéticos distribuidos, una comunidad podría mantener operativos hospitales, servicios de emergencia, departamentos de policía, semáforos, sistemas telefónicos y tiendas de alimentos durante las emergencias. Además, Smart Grid es una forma de mejorar una infraestructura energética obsoleta que necesita ser mejorada o reemplazada.
Smart Grid es la mejor manera de abordar la eficiencia energética y generar una mayor conciencia entre los consumidores sobre con respecto a la relación entre el uso de la electricidad y el medio ambiente. Aumentará la seguridad nacional para nuestro sistema energético, aprovechando mayores cantidades de electricidad renovable y generada por el consumidor que es más resistente a los desastres y ataques naturales.
Otorgando más control a los consumidores
Smart Grid no se trata solo de servicios públicos y nuevas tecnologías. Se trata de dar al consumidor la información que necesita para tomar mejores decisiones sobre el uso de energía en el hogar. Los consumidores ya administran actividades, pagan facturas y realizan operaciones bancarias personales desde una computadora desde su casa. Ahora podrán gestionar el consumo eléctrico de forma similar.
Una red inteligente permitirá un nivel mucho mayor de participación de los consumidores. El consumidor ya no tendrá que esperar un estado de cuenta mensual para saber cuánta electricidad consume. Con una red inteligente, los consumidores tendrán una imagen clara del consumo y el costo exactos en tiempo real. Los medidores inteligentes y otros mecanismos inteligentes ayudan al consumidor a ver cuánta electricidad usan, cuándo la usaron y el costo de esa electricidad. Esto permitirá a los consumidores ahorrar dinero al usar menos energía cuando la electricidad es más cara.
Los Inversores inteligentes Integran energías renovables
Los inversores inteligentes son una tecnología emergente que puede ayudar a integrar la energía solar y otros recursos de energía distribuida (DER) en la red eléctrica inteligente. Al igual que los inversores tradicionales, los inversores inteligentes convierten la salida de corriente continua (CC) de los paneles solares en corriente alterna (CA), que pueden usar los consumidores en sus hogares y negocios.
Los inversores inteligentes para sistemas solares fotovoltaicos (PV) interactúan activamente con el sistema de distribución eléctrica. Las innovaciones en la generación solar y eólica, así como el almacenamiento de energía, han dado como resultado mejoras en el rendimiento y reducciones de costos. El aumento de las ventas, así como los avances tecnológicos, han reducido el precio de los paneles solares.
Los inversores inteligentes están diseñados para ir más allá de la función de conversión básica a fin de proporcionar funciones de apoyo a la red. Los inversores inteligentes brindan soporte de frecuencia, regulación de voltaje, así como capacidades de conducción de bajo voltaje (LVRT) que mantienen estable el voltaje cuando hay una caída del mismo dentro de una curva de tolerancia,brindando la inyección necesaria de corriente reactiva durante este periodo.
A medida que aumenta el número de DER en la red, la necesidad de una funcionalidad de inversión adicional crece. Además, los códigos y estándares técnicos existentes para la interconexión, como IEEE 1547 y UL 1741, se están actualizando para garantizar que las capacidades de los inversores inteligentes se puedan utilizar por completo. Para desbloquear esta última funcionalidad de los inversores, algunos estados están trabajando para incorporar códigos y estándares actualizados a través de procesos prolongados que a menudo son de naturaleza técnica y compleja.
Construyendo la red inteligente
La red inteligente será posible gracias a la creación de una multitud de nuevas tecnologías, equipos, políticas y acuerdos. Se incluirán controles especialmente diseñados, computadoras y líneas eléctricas avanzadas. Pasará algún tiempo hasta que se perfeccionen todas las tecnologías, se instalen los equipos y se prueben los sistemas antes de que la Red Inteligente sea completamente operativa. Además, habrá muchas políticas locales, estatales y federales con pautas sobre cómo y dónde se pueden ubicar los nuevos equipos, controles, computadoras y torres para líneas eléctricas.
Acuerdos de compra de electricidad
Para alcanzar el objetivo final, se necesitan políticas y acuerdos entre los estados sobre el uso compartido de las líneas de transmisión, así como la compra del exceso de producción de electricidad entre los mismos. Algunos estados tienen una mayor capacidad para producir electricidad a partir de energía solar renovable que otros. Aquellos estados con menor acceso a fuentes de energía renovable deberán comprar el exceso de electricidad generada por otros estados a través de la energía solar y otros recursos de energía renovable a fin de cumplir con los requisitos de los Estándares de cartera renovable (RPS).
Más de una docena de estados y territorios de EE. UU. han establecido objetivos de RPS para obtener toda su electricidad de recursos renovables o no emisores de carbono para una fecha ya determinada. Muchos más estados y territorios están planificando o discutiendo su enfoque para implementar estos objetivos. Los estados o territorios también pueden definir qué tecnologías son elegibles para cumplir con los requisitos de RPS. Cada estado o territorio decidirá cuál es su mejor camino para alcanzar el 100% de energía renovable.
Participación del gobierno
El Departamento de Energía de EE. UU. lanzó la iniciativa "Construyendo una mejor red" en enero de 2022, para catalizar el desarrollo nacional de transmisión eléctrica nueva y mejorada de alta capacidad, según lo permite la Ley de Infraestructura Bipartidista. Esta iniciativa coordinará la acción de las partes interesadas de la comunidad y la industria para identificar las necesidades nacionales de transmisión y apoyar la construcción de instalaciones de transmisión de alto voltaje a larga distancia. Estas instalaciones serán fundamentales para alcanzar el objetivo de electricidad 100 % limpia para 2035 y una economía de cero emisiones para 2050.
Este programa ayudará a que la red eléctrica de EE. UU. sea más resistente a los impactos del cambio climático y aumentará el acceso a energía limpia asequible y confiable en todo el país. La finalización de la actualización de nuestra red actual en una red inteligente creará muchos puestos de trabajo nuevos en todos los sectores industriales, incluidos los asociados con la transmisión de electricidad.
Smart Grid evolucionando hacia el futuro
No sucederá todo a la vez. La red inteligente evolucionará durante la próxima década o, probablemente, durante más tiempo. Hay muchos desafíos que enfrentar, pero la generación actual y las nuevas tecnologías en desarrollo proporcionarán las solucionesa cualquier obstáculo que aparezca en el futuro. Estados Unidos necesita absolutamente una red inteligente. Los cortes de energía en los EE. UU. le cuestan a los clientes miles de millones de dólares cada año. El clima es el principal culpable y ha afectado cada vez más a la red en los últimos 20 años, una tendencia que probablemente continuará.
Al construir la red inteligente, estamos sentando las bases para un futuro de energía limpia. Una red inteligente hace que la transmisión y distribución de electricidad sea más eficiente, lo que da como resultado un mejor uso de las fuentes renovables de energía y optimiza la capacidad de aprovechar muchas de las mismas herramientas digitales que usamos para comunicarnos en otras industrias. Una vez que madure, Smart Grid traerá muchas transformaciones emocionantes a la forma en que trabajamos y vivimos.
Control de máquinas eléctricas durante más de cuatro décadas
Esperamos que se haya beneficiado de este número de TODO BAJO CONTROL y que haya aprendido un poco más sobre cómo la red eléctrica actual está evolucionando hacia una Red Inteligente y lo que significará para nuestras vidas en el futuro cercano. Hay muchas industrias y empresas con nuevas tecnologías que desempeñarán un papel en la finalización e implementación de la red inteligente de EE. UU.
En ediciones futuras, presentaremos información sobre las últimas tendencias y avances para una amplia variedad de industrias que dependen de los productos de c3controls como parte integral de sus controles de máquinas.
