Caterpillar Energy Solutions,

A lo largo de la historia de la humanidad la energía y sus fuentes han sido vitales para nuestro desarrollo y evolución. La energía eléctrica en su sentido más amplio, desde cómo producirla hasta cómo almacenarla, se ha convertido en la gran piedra angular de nuestra sociedad y es por ello por lo que tiene que hacer frente a múltiples cambios y desafíos. Durante las últimas décadas hemos visto una serie de grandes tendencias que impulsan ese constante cambio como son la electrificación, la descarbonización, la descentralización y la digitalización, entre otras. 

Estas tendencias están intrínsecamente relacionadas entre sí y apuntan a una misma dirección: disminuir la huella de carbono mientras crece nuestra demanda eléctrica. Son muchos los estudios que revelan que la demanda de electricidad está continuamente aumentando, pero este aumento no puede suponer un peligro para el medioambiente y para las generaciones venideras. Para contrarrestar esta situación se fijan hojas de ruta para bajar las emisiones de carbono mediante la sustitución de combustibles fósiles por otros combustibles renovables como son el biogás y el hidrógeno verde o por fuentes de energía renovables como son la solar y la eólica, entre otras. Por otra parte, el envejecimiento de las infraestructuras y el rápido crecimiento de la demanda de electricidad hace que las grandes centrales eléctricas conectadas por líneas de distribución y transmisión no sean capaces de satisfacer la demanda, por lo que la generación distribuida y las micro redes energéticas situadas en el punto de consumo están cobrando cada vez más protagonismo.

Las microrredes no son nuevas, desde hace décadas configuran el tejido de la generación eléctrica, pero lo novedoso es su capacidad de adaptarse al contexto actual: microrredes que se alimentan de la electricidad generada a partir de fuentes de energía renovables rentables como la fotovoltaica y la eólica. Además, los avances en almacenamiento de energía rentable hacen que se obtenga un sistema fiable que produce energía limpia a muy bajo coste.

Una microrred es básicamente una red localizada con sus propios recursos de producción de energía eléctrica, calor y frío (si procediera), sus propios consumidores (cargas) y unos límites definidos. Por lo general, estas microredes se componen de una generación de energía (mediante grupos motogeneradores a gas, biogás o que emplean hidrógeno verde, sistemas fotovoltaicos, eólicos y otros sistemas de hibridación); el almacenamiento de ésta (mediante contenedores de baterías, por ejemplo); y un sistema de control. Dependiendo de su forma de funcionamiento con respecto a la red, las microrredes pueden catalogarse como off-grid (funcionan con independencia de la red) o como on-grid (funcionan junto con la red eléctrica).

Gracias a las microrredes se consigue reducir los costes ya que se produce una generación de electricidad más barata para el autoconsumo; se reducen los picos de carga (peak shaving); se disminuye la dependencia de los combustibles fósiles; y se aplaza la necesidad de mejorar la red eléctrica ya que se consigue garantizar un acceso de alta calidad a la energía en zonas remotas o donde la capacidad de la red es limitada. Todo ello siempre desde la perspectiva de lograr los objetivos de descarbonización mediante la integración de recursos energéticos renovables descentralizados en su combinación energética, es decir, mediante la hibridación.

Para ejemplificar un sistema de hibridación en las micro redes vamos a servirnos de un proyecto de Caterpillar Energy Solutions actualmente en fase de construcción en los Países Bajos. Los actores principales en el proyecto son un cliente de PPA neerlandés y un consumidor final, un famoso centro logístico que opera a nivel mundial. Este proyecto surge debido a las limitaciones de la red eléctrica local: por una parte debido a la incapacidad actual de suministrar la electricidad necesaria al centro logístico y, por otra, al tiempo necesario para mejorar la red, situándonos en un plazo de aproximadamente 10 años. Esta es una de las situaciones más comunes y recurrentes en la que se encuentran las principales ciudades europeas y sus alrededores: la demanda de electricidad crece, pero las redes locales no pueden responder a tal aumento en un corto plazo de tiempo. La solución que se aportó para resolver esta limitación fue la combinación de dos micro redes trabajando con la red (on-grid), capaces de generar la electricidad necesaria a un coste asequible y en un plazo de tiempo aceptable. El edificio principal se dividió en dos zonas, este y oeste, en la que cada una de ellas tenía su propia microrred on-grid independiente.

Como filosofía de operación de las microrredes se optó por la utilización de motogeneradores de gas natural de 800 kWe que producen la carga base requerida mientras que los sistemas fotovoltaicos serán los encargados de generar la potencia adicional durante las horas de sol, reduciendo significativamente el coste de la electricidad y con la ventaja añadida de poder exportar a la red el excedente producido. Además, el sistema de almacenamiento de energía juega un papel de vital importancia durante las transiciones, ya estén estas planificadas o no. Finalmente, el grupo de emergencia diésel funciona únicamente a modo de respaldo. El sistema en su totalidad está controlado por una estrategia de dos capas permitiendo una gestión óptima de la potencia y de la energía entre las distintas fuentes energéticas.

El controlador MMC optimiza la monitorización y el control de la microrred simplificando las interacciones del operador gracias a distintas visualizaciones del sistema e interfaces de usuario permitiendo el control, tanto manual como automático, de las fuentes de energía. En líneas generales, el MMC, el cerebro de la planta, controla la aportación de energía procedente de las distintas fuentes para maximizar la penetración de energías renovables y del sistema tradicional, a la vez que optimiza el rendimiento general según las rutinas pre-programadas que pueden ajustarse dependiendo de los criterios del usuario según distintos parámetros como son la minimización de los costes de combustible, la optimización de la operación de los motores, la recarga de las baterías sólo con la electricidad procedente del sistema fotovoltaico o la maximización de la fiabilidad del sistema. Además, el controlador de la microrred proporciona una reserva mínima para responder a los picos de carga momentáneos. En resumen, el controlador de la microrred MMC va enviando a la red la electricidad de las distintas fuentes para mantener el sistema estable y beneficiarse de costes eléctricos más bajos. Por otro lado, la fuente de electricidad más barata, en este caso el sistema fotovoltaico, se prioriza siempre que sea posible y el sistema de almacenamiento de electricidad siempre entra en juego cuando el cielo cambia y aparecen las nubes.

En cuanto al almacenamiento de energía, se ha proyectado la utilización de dos baterías de litio de una capacidad de 675 kWh cada una. Este tipo de baterías presenta una serie de condiciones y factores que hay que tener muy presentes a la hora de planificar los proyectos. Uno de estos factores a tener en cuenta en los sistemas de almacenamiento de energía es la autodescarga: las baterías de litio no deberían estar sin funcionamiento durante mucho tiempo, ya que las celdas se descargan entre un 2 y un 5% al mes. Además, los sistemas de control deben estar diseñados de tal manera que nunca se sobrepasen los límites de tensión, ya que las baterías quedarían irreversiblemente dañadas. En lo que respecta a su modo de funcionamiento, las baterías se utilizan en los sistemas de conversión de energía (PCS). El PCS es el corazón del módulo de energía ya que proporciona la carga y descarga inteligente de las baterías. En este caso, el sistema PCS es un convertidor bidireccional (de AC a DC para carga y de DC a AC para descarga).

Finalmente, para que todas las piezas de este complejo puzle eléctrico encajen se necesita una recopilación y análisis de datos constante. La digitalización aumenta nuestra capacidad para optimizar el uso eficiente de la energía de formas que no podrían haberse hecho en el pasado ayudándonos a mejorar la seguridad, minimizar los tiempos de inactividad no planificados, maximizar la productividad y aumentar el peso de las fuentes de energía renovables en nuestro sistema eléctrico para seguir avanzando hacia la descarbonización y la sostenibilidad de nuestros recursos naturales.