Instituto Tecnológico de la Energía, (ITE)

El nuevo modelo de organización energético denominado Comunidad Energética (CEL) se plantea necesario para impulsar la transición energética y la descarbonización, y requiere tomar en consideración el análisis de varios aspectos energéticos y eléctricos, así como estudiar su impacto de implementación en la red de distribución.

 

La incorporación de las energías renovables como pilar fundamental de la transición energética y la incorporación de los sistemas de almacenamiento energético, como herramienta para impulsar las centrales renovables y como método orientado a conservar la energía generada para liberarla y utilizarla posteriormente cuando sea requerida, ofrecen la capacidad almacenada y el empleo de la energía generada de producción renovable, para equilibrar la oferta y la demanda de energía, garantizando así la estabilidad de la red.

El sector energético así planteado se enfrenta a una serie de cambios de operación y gestión. La incertidumbre de la disponibilidad de los recursos renovables genera situaciones de imprevisibilidad, que resulta en la necesidad de tener sistemas de acumulación energética, que, gracias a la innovación y los desarrollos tecnológicos, existen en la actualidad sistemas de almacenamiento de energía eléctrica. El foco de atención está hoy en día, en la gestión óptima de los recursos disponibles y en ofrecer flexibilidad al sistema eléctrico.

Sin embargo, en la operación de este tipo de sistemas energéticos con energías renovables se presentan situaciones no previstas y problemas operativos y de estabilidad, que deben ser evaluados a través de estudios que permitan la seguridad energética, la capacidad de planificación anticipada y la flexibilidad de la producción. Para ello se requiere el desarrollo de modelos adecuados para los fines requeridos.

El proyecto GIRECEL
En este contexto, surge el proyecto GIRECEL, financiado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE) y liderado por el Instituto Tecnológico de la Energía (ITE), el cual busca principalmente el desarrollo de un modelo dinámico de comunidades energéticas de manera de analizar su impacto al conectar a la red de distribución, así como implementar una arquitectura modular de integración de nuevos recursos energéticos, que permita la flexibilidad ante diferentes modelos y tecnologías de estos recursos energéticos, a través de la obtención de los datos e información recibida a través de la monitorización y supervisión de las comunidades energéticas. Con el desarrollo de un modelo dinámico de una CEL para su posterior uso en softwares de simulación de redes eléctricas (como en este caso PSS/E), se pretende poder implementar estudios de impacto sobre la red y evaluar las capacidades de la red actual al integrar CEL.

El balance energético como herramienta clave para la modelación dinámica
Para abordar los retos anteriores, lo primero que se debe realizar es analizar los componentes y recursos disponibles de la comunidad energética, y entender la forma de interactuar de estos elementos y la red de suministro de energía. El balance energético entre la generación y la demanda es una premisa importante que debe analizarse.

En sistemas tradicionales donde la red eléctrica es el único suplidor de energía, el balance se logra cuando la energía que entra es igual a la que sale, (Pentrada _Red = Psalida _Cargas), es decir que la red suple los requerimientos de la demanda, tal como se muestra en la Figura 1 .

Figura 1.Balance energético en sistemas tradicionales

En el caso de tener generación renovable, tal como generación de tipo fotovoltaico (FV), esta se combinará con la red, en función de la disponibilidad del recurso solar (irradiancia). El balance de suplir la demanda utiliza toda la energía de la producción renovable disponible, en este caso la fotovoltaica, y la energía necesaria proveniente de la red, (Pentrada1 _Red + P entrada2 _FV) = Psalida _Cargas, es decir, que la demanda será suplida con la generación renovable disponible, y lo faltante lo entregará la red, tal como se observa en la Figura 2.

Figura 2. Balance energético de un sistema energético con generación renovable (FV)

En el caso de tener almacenamiento (baterías), las consignas de carga y descarga de las baterías, dependerán de los excedentes de la producción renovable, en este caso fotovoltaica, así como las señales de precios de las tarifas de la energía proveniente de la red. Ver Figura 3.

Figura 3.  Balance energético de un sistema con generación renovable (FV) y almacenamiento (baterías)

El balance de suplir la demanda es la energía de la producción renovable, en este caso la fotovoltaica, y la energía necesaria proveniente de la red, y el uso de la energía del sistema de almacenamiento, dependiendo de las consignas definidas (Pentrada1 _Red + P entrada2 _FV) = (Psalida _Cargas + P Batt _{Almacenamiento}), es decir, que la demanda será suplida por la energía renovable disponible, la energía necesaria de la red, y dependiendo de las señales de precios y/o excedentes de la producción renovable, se gestiona el almacenamiento, ya sea con la carga y descarga de las baterías, tal como se observa en la figura.

Como puede observarse la gestión de la energía es requerida para lograr el balance energético, en la manera que se van agregando nuevos recursos energéticos gestionables. Los sistemas energéticos al ir creciendo y agregándose cada vez más elementos tienen que ser controlables y gestionables, con la incorporación de los convertidores electrónicos, que son los elementos que transforman la energía en corriente continua a corriente alterna y viceversa.

El modelo dinámico
El modelo dinámico desarrollado está concebido para ser configurable y que pueda integrar generación fotovoltaica, los modelos asociados a sistemas de almacenamiento como las baterías y los modelos de las cargas específicas de interés. Estos modelos se integran en un framework común, que representa una CE desde una perspectiva modular y configurable en función de la arquitectura de la CE.

El Renewable Energy Source Controller (RESC) es un sistema de control que garantiza que las plantas de energías renovables cumplan con los códigos de la red permitiendo que los activos se conecten a la red de una manera más segura y controlable. El RESC permite el control directo sobre todos los dispositivos, así como su regulación completa y puede administrar la energía y la potencia real y reactiva de plantas solares, eólicas e híbridas. La idea del RESC es que se pueda integrar como regulador principal y pueda comunicarse con los inversores tanto de la generación renovable, como del almacenamiento, así como recibir comandos del operador del sistema.

En la Figura 4 se presenta la Comunidad Energética (CEL) modelada, la cual incluye varias unidades de generación renovable (FV), varios tipos de cargas, y varios dispositivos de almacenamiento (baterías) conectados a través de convertidores electrónicos, y para el control de los dispositivos se ha integrado un PPC aplicado a generación distribuida, que hemos llamado RESC.

Figura 4.  Balance energético de un sistema con generación renovable (FV) y almacenamiento (baterías) con un control RESC

El RESC es quien está encargado de realizar el Balance energético del sistema, que según las condiciones de la disponibilidad de los recursos de las energías renovables (lectura de la generación renovable), y de los consumos de la demanda de las cargas, se determinan las consignas de Potencia a intercambiar con la red de la CEL, según la disponibilidad del almacenamiento.

Así: Pconsigna CEL  =   Pgen  -  Pdem  +  Pconsigna Batt

El modelo dinámico se ha desarrollado en el PSS®E (Power Systems Simulation), que es una herramienta ampliamente usada por empresas distribuidoras y transportistas y aceptada de simulación y análisis de sistemas de potencia tanto para operaciones, así como para la planificación de la transmisión de la energía.

El objetivo de la simulación dinámica es simular la respuesta de un sistema físico, a través de eventos que ocurren en un sistema eléctrico, y se puede expresar como el proceso de encontrar la respuesta en el tiempo del sistema bajo estudio, a través de la integración numérica de un sistema de ecuaciones diferenciales. En este caso, poder evaluar el impacto de las CELs sobre las redes eléctricas.

Para los rangos de frecuencia requeridos en los modelos dinámicos, en esta herramienta, el sistema se puede representar por un modelo cuasi-estacionario, y utiliza fasores de secuencia positiva). Para resolver en el tiempo, se determina un paso de integración, y para cada paso de integración se debe dar solución a la siguiente ecuación solución de la red:

I (x,V)=  [Y] . [ V]      à    V  =  [ Y ]^-1  . I (x,V)

Donde:

V: Vector de voltajes de barra complejo

I(x,V): Vector de las fuentes de corriente complejas

[Y]:  Matriz admitancia del sistema

Como se puede ver de la ecuación, los voltajes se obtienen de las corrientes, pero las corrientes son función de los voltajes, por lo que se utilizan métodos iterativos de solución.

Aplicación y conclusiones del proyecto
A través de este proyecto se profundiza en el comportamiento de las CELS, además de generar los conocimientos necesarios para que las distribuidoras de energía eléctrica, los gestores energéticos, así como las empresas de ingeniería, y de instalación y mantenimiento de recursos energéticos- como las instalaciones fotovoltaicas-, puedan darles la máxima utilidad a los resultados obtenidos.  Al mismo tiempo, se espera obtener una mayor participación de los actores involucrados, así como la divulgación de la información, y el conocimiento de las CELS y del sistema eléctrico al que están o podrías estar conectadas estas comunidades energéticas.

Tras el uso del modelo dinámico puede comprobarse que el impacto adverso de la integración de energías renovables sobre la red eléctrica se ve paliado si estas se integran en comunidades energéticas, con almacenamiento ya que una gestión optima de los recursos internos de la CEL reducen la interacción de la misma con la red, reduciendo así su potencial impacto negativo a nivel de sobrecargas y sobretensiones.

El proyecto GIRECEL, con expediente IMDEEA/2022/18, ha sido cofinanciado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE) y Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).