Generación Distribuida: tecnologías, beneficios y retos

La generación distribuida (GD) es la generación y el almacenamiento de energía eléctrica a pequeña escala, lo más cercana al centro de carga, con la opción de interactuar (comprar o vender) con la red eléctrica o trabajar aisladamente.

En la actualidad se considera la generación Distribuida como un concepto más amplio llamado Recursos energéticos distribuidos, que incluye, no solo la generación distribuida sino el almacenamiento y cargas de respuesta.

Las arquitecturas de sistemas de energía incorporarán la GD, como ya está sucediendo en distintas partes del globo. Fundamentalmente por el impulso que muchos gobiernos están realizando para luchar contra el cambio climático.

Este tipo de sistemas son instalados con capacidades relativamente pequeñas respecto a las centrales de generación. En las fuentes se manejan diferentes rangos: menores a 500 kilowatts (kW); de 1 MW a 5 MW; así como de tan sólo unos cuantos kilowatts, en lo que respecta a las tecnologías disponibles, la capacidad de los sistemas de GD varía de cientos de kW hasta diez mil kW.

La Generación Distribuida no está confinada al uso de combustibles fósiles. Algunos países y regiones tienen fuentes de energía renovables importantes integradas en la rejilla de energía a través del uso de turbinas de viento y combustión de biomasa. Incrementar las cantidades de generación distribuida requerirá cambios en la tecnología para gestionar la transmisión y distribución de la electricidad.

En este sentido, deberíamos citar como caso de éxito el proyecto Fénix de Iberdrola, que ha tenido como objetivo diseñar y desarrollar una central eléctrica virtual a gran escala que permita la integración de plantas de generación distribuida en la red eléctrica de transporte.

Esta iniciativa liderada por la eléctrica, dentro del sexto Programa Marco de I+D+i de la Comisión Europea, ha supuesto una inversión de 15 millones de euros y ha contado con la colaboración de socios como EDF, National Grid, REE, Gamesa, Siemens, Areva o Tecnalia.

En concreto, Iberdrola y las demás empresas han logrado poner en marcha en Bilbao una central eléctrica virtual a gran escala que ha sido la encargada de gestionar diversos generadores distribuidos y han demostrado que es viable integrarlos en el sistema eléctrico como cualquier central convencional.

Para desarrollar este proyecto, se ha elegido la red de Álava y ha contado con un conjunto de generadores entre los que se encuentran plantas de cogeneración como la de Iberdrola para Michelín o las instalaciones de Guascor y Zigor, los parques eólicos de Badaia y Urkilla, de Iberdrola Renovables, una planta fotovoltaica ubicada en el instituto de Diocesanas y una central hidroeléctrica, en Antoñana.

Estas instalaciones han sido agrupadas en una central virtual y han estado controladas mediante el sistema Spectrum de la compañía en la zona Norte, en coordinación con el Centro de Control Eléctrico de Red Eléctrica de España (REE).

Mientras que hay potencial para que una gran proporción del suministro de energía eléctrica se convierta en fuentes de energía descentralizadas, algunos temas importantes limitan la proliferación del uso de esta tecnología, incluyendo facturación y créditos de energía, control de la generación y estabilidad del sistema.

Para mantener el control y la estabilidad del sistema de energía en algunas redes, los consumidores vecinos necesitan consumir toda la energía eléctrica que un consumidor productor puede producir. Esto asegura que hay flujo de red desde los generadores a los consumidores en la red de distribución, incluso aunque haya una salida (outflow) local dentro de la distribución local. Con el crecimiento de los mercados de electricidad y la necesidad de acceso abierto a las redes, el generador distribuido podría tener más opciones para vender la producción excedente.

Tecnologías de generación distribuida

La reducción en la inversión de proyectos de generación a pequeña escala y el desarrollo de tecnologías punta en generación eléctrica de forma eficiente, confiable y de calidad han favorecido el desarrollo de la GD.

Las tecnologías de generación se pueden dividir en convencionales y no convencionales. Las primeras incluyen combustibles fósiles impulsando a microturbinas que dan respaldo al sistema. Las segundas se refieren a la energía renovable, como la microhidraúlica, geotérmica y biomasa, las turbinas eólicas, celdas de combustibles y celdas fotovoltaicas.

Las tecnologías de almacenamiento comprenden acumuladores de energía (baterías), almacenamiento a base de hidrógeno entre otras.

Citamos a continuación algunas de las tecnologías más utilizadas en generación distribuida:

· Cogeneración. Método de producción en forma secuencial energía eléctrica y térmica, donde esta última es útil a los procesos productivos en forma de un fluido caliente (vapor, agua, gases), obteniendo eficiencias globales de más del 80%. Sus capacidades son muy amplias, debido al hecho de que utiliza todas las tecnologías que abarca la GD.

· Turbina de gas. El combustible suele ser gas natural, aunque puede emplearse gas LP o diésel. Sus capacidades van de 265 kW a 50,000 kW; permiten obtener eficiencias eléctricas del 30% y eficiencias térmicas del 55%; los gases de combustión tienen una temperatura de 600°C; ofrecen una alta seguridad de operación; tienen un bajo costo de inversión; el tiempo de arranque es corto (10 minutos); y requieren un mínimo de espacio físico. Por otro lado, los gases de combustión se pueden utilizar directamente para el calentamiento de procesos, o indirectamente para la generación de vapor o cualquier otro fluido caliente.

· Motor de combustión interna. Utilizan diésel, gasóleo o gas natural; existen en capacidades de 15 kW a mayores de 20,000 kW; alcanzan eficiencias eléctricas del orden del 40% y eficiencias térmicas cercanas al 33%; su temperatura de gases de combustión es de 400°C; tienen un bajo costo de inversión, una vida útil de 25 años, alta eficiencia a baja carga, consumo medio de agua, poco espacio para instalación, flexibilidad de combustibles y su crecimiento puede ser modular.

· Microturbinas. Estas constituyen una tecnología reciente de GD, ya que exceptuando a algunos fabricantes, el mercado está a varios años de su comercialización total.

· Baterías. Son, entre otros, los acumuladores convencionales de plomo – ácido y las de Níquel – Cadmio, que presentan una densidad de energía almacenada del orden de 30 Wh/kg. Existen varios tipos de baterías en desarrollo, como las de Sodio - Azufre que alcanzan valores de densidad de 60 a 150 Wh/kg; las de Zinc – Aire con valores de 80 a 100 Wh/kg; y las de flujo (redox) o pilas de combustible regenerativas, que son las de Zinc – Bromo – Cloro y las de Bromuro de Sodio – Polisulfuro de Sodio.

· Energías renovables. Entre sus ventajas se encuentra la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (para biomasa), y en los demás casos estas emisiones son nulas. Entre las fuentes renovables, se encuentran: energía hidráulica, biomasa, solar, eólica, geotérmica, mareomotriz, entre otras.

Operación con interconexión

En la mayoría de los casos, un aspecto necesario en la GD es la interconexión con la red eléctrica, para poder cubrir cualquier demanda eventual de la GD y vender energía eléctrica a la red. En este sentido, la red energética ha de evolucionar a una red inteligente, si se quiere tener la interacción permanente y controlada por la Generación Distribuida.

Algunos de los aspectos técnicos a considerar en la interconexión son:

· Relevadores de protección

· Conexión del transformador

· Sistema de puesta a tierra

· Coordinación de protecciones y regulación de la tensión de la compañía

· Equipos de calidad de servicio

· Conformidad con normas de los convertidores de potencia

· Monitoreo y control remoto del grupo

· Mantenimiento preventivo y correctivo periódico

· Sistema de comunicación entre el operador privado y el controlador de la red de distribución

Las trabas legales y tecnológicas significan que la electricidad doméstica generada por el consumidor no puede mezclarse fácilmente ni de forma segura con el suministro eléctrico entrante. Las compañías eléctricas necesitan tener la habilidad de aislar partes de la rejilla de energía; cuando una línea cae, los trabajadores deben estar seguros de que no hay electricidad antes de que trabajen sobre ella. Las instalaciones de energía distribuida pueden hacer que el control de esas situaciones sea más difícil.

Con la llegada de electrónicas de potencia extremadamente fiables está llegando a ser económico y seguro instalar incluso equipamiento de cogeneración a escala doméstica en EE. UU. Estas instalaciones pueden producir agua caliente, calefacción y electricidad doméstica, siendo devuelta la energía sobrante a la compañía de energía. Los avances en electrónicas han cumplido los requisitos de seguridad y calidad de las compañías eléctricas. Los legisladores pueden actuar para eliminar barreras a la adopción de niveles crecientes de generación distribuida.

El Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos de Estados Unidos (IEEE) está preparando la norma eléctrica “IEEE-Standard-1547 – Standard for Distributed Resources Interconnection with Power Systems”, que será de uso exclusivo para normalizar las interconexiones y la operación de los sistemas de GD.

Beneficios de la generación distribuida

El auge de los sistemas de GD se debe a los beneficios inherentes a la aplicación de esta tecnología, tanto para el usuario como para la red eléctrica.

A continuación se listan algunos de los beneficios:

a) Beneficios para el usuario

· Incremento en la confiabilidad

· Aumento en la calidad de la energía

· Reducción del número de interrupciones

· Uso eficiente de la energía

· Uso de energías renovables

· Facilidad de adaptación a las condiciones del sitio

b) Beneficios para el suministrador

· Reducción de pérdidas en transmisión y distribución

· Abasto en zonas remotas

· Libera capacidad del sistema

· Proporciona mayor control de energía reactiva

· Mayor regulación de tensión

· Disminución de inversión

· Menor saturación

· Reducción del índice de fallas

Habrá necesidad creciente de operadores de red para gestionar activamente las redes, en lugar de pasivamente, como es habitual hoy en día. La gestión activa traerá beneficios adicionales para los consumidores en relación con la introducción de mayor oferta y competitividad. Sin embargo, el cambio a una gestión más activa puede ser difícil. Las redes de distribución de electricidad son un monopolio y firmemente regulado para asegurar que no exceden en beneficios a expensas del consumidor.

Factores que impulsan el desarrollo de la GD

Por todo ello, podemos analizar los factores que impulsan el crecimiento de la GD, clasificándolas en 3 áreas diferenciadas:

· Medioambientales

o Emisiones limitadas de gases de efecto invernadero

o Eliminación de construcciones de circuitos nuevos de transmisión y grandes plantas de generación

· Comerciales

o Incertidumbre general en mercados eléctricos favorece esquemas de generación pequeños

o GD es una ruta efectiva en costes para mejorar la calidad y confianza del suministro energético

· Regulación regional o nacional pública

o Diversificación de las fuentes de energía para asegurar la seguridad energética

o Apoyo para políticas competitivas

A pesar del empuje actual a estas nuevas maneras de aprovechamiento energético, podemos enunciar brevemente los retos más importantes para su desarrollo y evolución de manera sólida:

Retos técnicos:

1. Efecto de incremento de voltaje

2. Calidad de potencia

3. Protección

4. Estabilidad

Retos comerciales

5. Recuperación del coste de la gestión activa a través de los mecanismos de control de precios

6. Establecimiento de esquemas de incentivos para recompensar a las empresas que se conecten a la GD

7. Establecimiento de mecanismos de mercado que crearía un entorno comercial favorable al desarrollo de redes activas

Retos regulatorios

8. La ausencia de regulaciones que fomenten la GD eliminará las opciones de desarrollo de esta iniciativa. Se necesita políticas apropiadas para desarrollar y articular oportunidades que apoyen la integración de la GD en las redes de distribución actuales.

Debido a que la Generación Distribuida se conecta a la red de distribución, cada vez se están dedicando más esfuerzos al estudio de los impactos que ocasiona la Generación Distribuida en las redes de distribución a las cuales se conecta.

Los estudios que se realizan son muy diversos y variados. Los estudios más importantes se centran en:

· Incentivos a las tecnologías de GD para su desarrollo (mecanismos regulatorios: primas, tarifas, certificados verdes etc..)

· Las nuevas inversiones y La planificación de la Distribución teniendo en cuenta la GD

· Las potencias de cortocircuito en la red con GD

· Los servicios complementarios en la red con GD (regulación frecuencia - potencia, black start, control tensión - reactiva)

· Las pérdidas en la red con GD

· La operación y explotación de red con GD

· La seguridad del personal de mantenimiento con GD