Redes inteligentes (Smart grid)

En la actualidad, el concepto va ganando mayor interés. Su inclusión favorece el ahorro energético y el uso de energías renovables; además, permiten un suministro mucho más fluido y seguro.

“Los medidores de energía inteligentes sustituyen a los medidores tradicionales, con lo que se facilita la comunicación bidireccional entre consumidores y entre empresas que prestan los servicios”- Ing. Gilberto Enríquez Harper.

Por Antonia Tapia.

En los tiempos que corren, la tecnología ha evolucionado a pasos agigantados; sin embargo, a más de un siglo de existencia, el sistema eléctrico, específicamente su red, no ha presentado cambios significativos. En el contexto actual, en donde el ahorro energético y la inclusión de energías alternativas resultan indispensables, una acción urgente es el rediseño de la red eléctrica. De esa forma, se evitarían apagones y pérdidas económicas cuantiosas. Además, se establecería una relación más amigable con el ambiente y se podrían integrar nuevos elementos, entre los que se destacan los vehículos eléctricos. Dentro de este marco de transformación necesaria, el proyecto de smart grid –redes inteligentes– surge como un espacio de oportunidades para mejorar la eficiencia y la fiabilidad de la red eléctrica, adaptándola a las necesidades de la era digital.

La coyuntura: el aumento del consumo de energía debido al crecimiento demográfico y a la gran adquisición de aparatos eléctricos, como televisores, computadoras y sistemas de aire acondicionado, han agravado el incremento de la demanda de electricidad. Esto ha desmejorado su fiabilidad y multiplicado fallos y apagones. Cabe destacar que los cortes en el suministro implican pérdidas millonarias.

Según cifras del Departamento de Energía de Estados Unidos, las pérdidas medias en diversos sectores productivos, como el de las transacciones bursátiles, asciende, por una hora de interrupción, a más de 6 millones de dólares. Si a esto le sumamos el incremento del precio y consumo de combustibles fósiles, y el aumento de emisiones de dióxido de carbono, concluiremos que es necesaria una acción urgente para modificar el panorama. Es una acción en la que tanto compañías eléctricas, como usuarios deben comprometerse. Es por eso que smart grid, redes inteligentes o internet de la energía resulta un proyecto perentorio y necesario.

Al respecto, Ricardo Uribe, director de la Unidad de InfraStruxure de Schneider Electric México, explica: “Las redes eléctricas inteligentes han surgido como la convergencia de datos e información, junto con tecnologías y operación aplicada a los sistemas de potencia, que permiten el desarrollo de opciones sostenibles para los clientes y el mejoramiento en la seguridad, confiabilidad y eficiencia para las empresas eléctricas”.

En ese sentido, el ingeniero Luis Rancé, presidente de Telvent México, amplía que “smart grid es una red eléctrica integrada en todos sus niveles (generación, transmisión y distribución), que funciona en forma eficiente, segura e interactiva entre la empresa suministradora (utility) y los usuarios (clientes)”.

Este sistema interconectado de tecnologías de la información y comunicación con tecnologías de generación, transmisión y distribución de electricidad, y de uso final es de gran importancia, ya que mejora la confiabilidad del sistema eléctrico, gracias a su automatización, y contribuye al uso de energías más limpias y renovables con sistemas más eficientes. Desarrolla islanding que es la capacidad de funcionamiento de una zona aislada de la red principal para satisfacer las necesidades básicas de los habitantes. Reduce costos, evitando la construcción de nuevas infraestructuras, y prepara la red para la implantación a gran escala de tecnologías del futuro, como los vehículos eléctricos. Además, permite que el usuario elija cuál plan se identifica en mayor medida con su consumo y qué le genera menos gastos. En consecuencia, Gerardo Urrea Grijalva, gerente de Ventas Nacionales de SELINC, enfatiza que “estas tecnologías de manera rápida y automática aíslan las fallas, restablecen la energía, monitorean la demanda, mantienen y devuelven la estabilidad del sistema para una generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica de forma más confiable”.

Coste medio por hora de interrupción en el suministro eléctrico, en algunos sectores, expresado en dólaresComunicaciones móviles 41,000 Venta telefónica de entradas 72,000 Reserva de boletos de avión 90,000 Manufactura de semiconductores 2,000,000 Operaciones con tarjeta de crédito 2,580,000 Transacciones bursátiles 6,480,000

La tecnología de smart grid tiene como antecedente directo diferentes intentos por usar controles de consumo mediante medidores y sistemas de monitorización. Sin embargo, fue hasta principios del siglo XXI cuando el término surgió y comenzó a cobrar relevancia. En abril del 2007, Andrés Carballo, pionero en esta materia, dentro del marco de una conferencia sobre energía para la International Data Corporation, presenta el proyecto smart grid como una combinación de energía, mecanismos de comunicación, software y hardware.

“En dicha conferencia, Carballo explicó cómo esta combinación podría existir sólo con la creación de una arquitectura de sistemas nueva, integración y modelado del framework. Predijo una dirección novedosa para las industrias, que, en el siglo XXII, podría llevar a nuevas formas y niveles de eficiencia y conservación de energía alrededor del mundo”, recuerda el director de la unidad de InfraStruxure de Schneider Electric México.

En la actualidad, el término no ha dejado de cobrar fuerza, y según estadísticas, 75 por ciento de las empresas a escala mundial creen que sus presupuestos de sistemas para proyectos de smart grid aumentarán en los próximos 2 o 3 años.

Ventajas, un concepto integral en evolución de redes
Este nuevo concepto de redes eléctricas está integrado por diversos elementos, los cuales tienen un protagonismo esencial dentro de su desarrollo. Entre estos actores, se destacan los proveedores de tecnología y servicios energéticos, usuarios, investigadores, reguladores, operadores de red y bursátiles, productores y agencias gubernamentales. No es para menos: estas redes bidireccionales potencian el uso de todos los recursos energéticos, permitiendo un tratamiento de información relativa al tránsito de energía y posibilitando la administración de la red en tiempo real, con lo cual es sencillo optimizar sus flujos.

Smart grid ofrece ventajas para las empresas suministradoras y para usuarios. Esta red inteligente favorece a las compañías, ya que, gracias a ella, la energía se podrá gestionar de forma autónoma y permitirá controlar su gasto. Por otro lado, en cuanto a la eficiencia, permite realizar sofisticados análisis de los patrones de consumo, identificando oportunidades que posibiliten su reducción.

En ese aspecto, el ingeniero Gerardo Urrea afirma que “el sistema puede reducir las fallas, logrando un suministro de energía libre de cambios en el voltaje (sag/swells), disturbios o interrupciones”. Al optimizar la infraestructura de red, smart grid ofrece mejores servicios y beneficios comerciales, como pueden ser nuevas tarifas o pago por uso.

En el caso de los usuarios, las oportunidades también se multiplican, ya que el pago por uso elimina los recibos estimados y los consumidores sólo pagarían por lo que consumieran. Asimismo, las tarifas serían más flexibles y no se recurriría a una intervención local para activar, terminar o incrementar el suministro.

Aplicaciones, un sinfín de oportunidades
Esta red inteligente puede aplicarse en IEC-61850. En ese sentido, son herramientas de gran alcance, ya que favorecen los servicios de comunicaciones, como el intercambio de datos. De igual manera, proporciona una comunicación para la subestación y varios puntos del sistema; brinda un formato común para describir y facilitar el modelado de los objetos; permite interoperabilidad pero no intercambiabilidad, y posibilita un lenguaje común, como compartir referencias de datos.

Smart grid también favorece la reducción de interrupciones, calidad de la energía, distribución de la generación y recursos renovables, automatización de subestaciones y seguridad cibernética.

Para su funcionamiento, esta red debe presentar una infraestructura de comunicaciones inteligente que proporcione, en todo momento, control y un conocimiento preciso sobre cualquier punto de la red. En ese sentido, existen diversos dispositivos que se conectan para su funcionamiento. Uno de ellos son los sincrofasores. Son dispositivos síncronos que muestrean la tensión y la corriente en puntos significativos. Los PMU muestrean muchas veces por segundo –en torno a 30– para aportar datos acerca del régimen transitorio. Según los especialistas, con ellos se pueden detectar sobrecargas y cuellos de botella con más antelación y adoptar las medidas necesarias para prevenir apagones.

Otro dispositivo es la Infraestructura de Medida Avanzada, (AMI, por sus siglas en inglés). Con él, los consumidores se incorporarán al sistema y permitirá a los usuarios emplear la electricidad de forma más eficiente. Asimismo, proporcionará a las compañías la capacidad de detectar problemas y gestionar la demanda, con el fin de operar más eficientemente.

Las energías renovables y los vehículos eléctricos también se podrán conectar a esta red inteligente. La medición es sólo una parte de la gran cantidad de oportunidades que tiene una smart grid. Los generadores eólicos, las granjas solares y los vehículos eléctricos, aunque estrictamente no forman parte de la smart grid, son una serie de tecnologías que pueden integrarse e interactuar con ella.

A diferencia de las grandes centrales térmicas, las energías renovables no pueden colocarse en el lugar más apropiado para la red, sino que se ubican donde se maximiza su rendimiento. Por ello, resulta indispensable establecer una red de comunicaciones que permita gestionar los consumos y el resto de generadores de la forma más eficiente posible.

Respecto de los vehículos eléctricos, hay que distinguir dos tipos: los híbridos y los PHEV. Los primeros generan energía eléctrica a partir de combustibles fósiles y podrían usarse como un sistema de generación distribuida para suministrar energía de punta. Por otro lado, los PHEV podrían aportar la energía de sus baterías para hacer frente a picos de demanda y aprovechar las horas valle (cuando la electricidad es más barata) para recargarse. También, podrían usarse como sistema de almacenamiento temporal, de modo que la generación intermitente de energía eólica se estabilice.

En cuanto a tecnologías de información aplicadas a redes inteligentes de distribución eléctrica, el ingeniero Luis Rancé explica que existe un conjunto de módulos de software que cuando se integran son el “cerebro” de una red inteligente; básicamente, en el nivel de distribución, encargado de atender y comercializar el suministro de energía eléctrica directamente a los clientes. Cada uno de estos módulos denominados GIS, SCADA, AMI, OMS, DMS, por separado, tiene aplicaciones específicas.

“Sobre una buena y versátil plataforma de información geográfica (GIS, por sus siglas en inglés), se reproduce la red eléctrica con toda la información disponible (rutas troncales, ramales, transformadores, seccionadores, etcétera). Con esa base de datos, es posible poner en funcionamiento un sistema de monitoreo y control en tiempo real (SCADA, por sus siglas en inglés), adquiriendo la información directamente de campo a través de una red de comunicación (fibra óptica, carrier sobre los mismos circuitos eléctricos, radio, microondas, vía satélite, etcétera) y concentrándola en un centro de control donde residirán todas las aplicaciones de la gestión y operación de una red eléctrica. En ese centro de control podrán implementarse aplicaciones avanzadas de la gestión de la distribución (DMS, por sus siglas en inglés), de las emergencias de fallas e interrupciones (OMS, por sus siglas en inglés) y de gestión de mediciones bidireccionales de los nuevos medidores eléctricos “inteligentes” (AMI, por sus siglas en inglés), que permiten la interacción en ambos sentidos de la empresa sobre las cargas de los clientes y de los clientes para administrar sus hábitos de consumo”.

Panorama actual, una red que se extiende
En la actualidad, estas redes inteligentes han cobrado mayor interés entre los empresarios. Al respecto, el ingeniero Rancé subraya que las grandes empresas industriales o comerciales tienen la cultura adecuada del uso eficiente de la energía, de la reducción de sus costos de operación y de su responsabilidad social, pero aún falta mucho para que penetre en todas las capas de la sociedad.

“La mejor manera de convencer a todos los usuarios, tanto empresariales como domésticos, es proporcionando el mejor servicio al menor costo posible. Eso se logra operando la red en forma óptima, permitiendo diferir las grandes inversiones en infraestructura y, por lo tanto, aplicando tarifas mucho más atractivas”, indica.

Según las cifras, sólo 8 por ciento de las empresas eléctricas del mundo han completado proyectos de smart grid; mientras que 37 por ciento de las compañías registra proyectos en etapa de ejecución.

Uno de los países más interesados en la implementación de redes inteligentes es Estados Unidos. El gobierno actual ha destinado un presupuesto de 12 mil millones de dólares para buscar un mayor desarrollo. En ese sentido, algunos estados ya están trabajando en redes piloto.

El ingeniero Urrea Grijalva indica que, en Colorado, Xcel Energy construye en Boulder “la primera red eléctrica inteligente del mundo para una ciudad entera. Su objetivo es conectar a 35 mil hogares y empresas con sistemas automatizados y de comunicación bidireccional, y aprovechar todo tipo de energías renovables”.

Por otro lado, en Massachusetts se registran varios programas piloto. Lo mismo sucede en el estado de Florida. Allí, la compañía Progress Energy y la Universidad de Florida Sur colaboran en un proyecto para equipar a alrededor de 5 mil hogares con diversos sistemas inteligentes; mientras que la empresa Florida Power también planea crear una red inteligente.

Además de EUA, otros países desarrollan iniciativas de este tipo. La empresa Energy Australia, con la colaboración de IBM, despliega desde 2006 una red inteligente con una inversión inicial de 180 millones de dólares. Mientras tanto, en la Unión Europea (UE) se encuentran desarrollándo diversos proyectos internacionales, como Der-Lab, en el que participan nueve centros tecnológicos, entre ellos el español Tecnalia. Por su parte, algunas ciudades también cuentan con proyectos de implantación de estas redes. Por ejemplo, el Ayuntamiento de Ámsterdam, en colaboración con varias empresas, lleva a cabo un plan de transformación ecológica para los próximos años, en el que incluyen coches eléctricos, paneles solares y una red eléctrica inteligente.

China también está haciendo grandes esfuerzos respecto de este tema. En los últimos años, este país ha emergido como el mayor y más importante mercado para las redes inteligentes del mundo. Según estudios oficiales, se proyecta que el valor total del mercado de las redes inteligentes se incrementará desde 22.3 mil millones de dólares, en 2011, hasta 61.4 mil millones, en 2015.

En América Latina, más precisamente en México, “teóricamente, el planteamiento del smart grid es perfecto, pero aún está lejos su implementación universal. A estas alturas sólo hay proyectos piloto”, indica Ricardo Uribe.

Por su parte, el ingeniero Rancé precisa que la Comisión Federal de Electricidad (CFE) está preocupada por dar un giro a su filosofía de servicio para tratar a los usuarios como clientes, lo que implica una mejora continua del servicio y nuevos esquemas de manejo eficiente de la red.

“A nivel de generación y transmisión, me atrevo a asegurar que la operación de la CFE se encuentra dentro de los estándares de calidad y seguridad de las mejores empresas del mundo; sin embargo, es en el nivel de distribución donde tienen que hacerse los mejores esfuerzos”, puntualiza.

De igual forma, el presidente de Telvent México explica que se están comenzando a instalar medidores “inteligentes” bidireccionales en algunas zonas de la Ciudad de México, y se tienen definidas las bases para una licitación de smart grid en el Valle de México, en donde el consumo significa más de 20 por ciento del total nacional, con pérdidas exageradamente altas, tanto técnicas como no técnicas, mayores a 30 por ciento.

“Los conceptos de smart grid están empezando a tomarse en cuenta, y en muy poco tiempo –dos o tres años, quizá– se habrá generalizado en todo el país. La Comisión Federal de Electricidad convocará numerosas licitaciones para que, poco a poco, toda su infraestructura de distribución se modernice. En definitiva, habrá una gran actividad en estos temas a corto y mediano plazo”.

Limitaciones y futuro
El proyecto de redes inteligentes en su implementación a escala global presenta algunas limitaciones, como puede ser madurez tecnológica y riesgo de “first mover”; esto es, que la falta de tecnologías estándares y maduras aumentan el riesgo de inversión, y las escasas pruebas piloto de escala suficiente hacen que las estimaciones y supuestos considerados no sean fiables. Por otro lado, los costes de inversión y operación son aún demasiado altos, y los beneficios que pretenden conseguir son difícilmente cuantificables e imputables a cada agente.

“Una limitación por destacar es la falta de concienciación por parte de los reguladores del papel que juegan las smart grid en los objetivos de fomento de las renovables, eficiencia energética, reducción de CO2, y la necesidad de fomentar la inversión en las redes eléctricas”, subraya Uribe.

El director de la Unidad de InfraStruxure de Schneider Electric México también destaca que la normativa y regulación, en algunos casos, impone limitaciones o barreras técnicas, y en otros, no genera incentivos suficientes para la inversión. Además, el acceso a las fuentes de financiación –cuando se cambia el modelo de negocio y se aumentan los riesgos de una actividad regulada– aumenta los costes de financiación, lo que hace menos rentables las inversiones. De igual forma, en materia de confidencialidad y privacidad de los datos, Uribe precisa que el detalle y volumen de la información que estará disponible sobre cada consumidor puede generar graves perjuicios si se usa de manera inadecuada.

En el futuro, estas redes inteligentes, como afirman los especialistas, entre muchas otras ventajas, reducirán picos de carga y generarán márgenes de reserva, eliminarán costos de capital de una nueva infraestructura T&D (transmisión y distribución), así como plantas de generación. Además, disminuirán las pérdidas de línea de T&D, junto con los costos de operación y mantenimiento. Redirigirán los flujos de potencia, cambiarán los patrones de carga y mejorarán los perfiles de tensión y estabilidad. Asimismo, permitirán a las cargas de almacenamiento de energía (ESS) y generación distribuida (DG) participar en las operaciones del sistema.

Las smart grid posibilitan un gran número de ventajas que no sólo se refleja en beneficios para empresas y usuarios, sino para el medioambiente y la generación de nuevos puestos de trabajo, investigación y tecnología. Sin duda, un universo de posibilidades que vislumbra un futuro muy prometedor.
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