¿Qué ocurre con el exceso de energía vertida a la red eléctrica?

Question

La pregunta más parecida es Aprovechamiento lineal del exceso de producción de electricidad .

No soy ingeniero, por lo que es posible que no me exprese correctamente y agradecería una respuesta que parta de unos conocimientos previos mínimos (sólo tengo nociones básicas de tensión, transformadores, etc.). La pregunta surge a raíz de todo esto de que la energía eólica y variable puede perturbar la red.

Por ejemplo, consulte el artículo de 2012 de Electrical Connection El rápido aumento de las instalaciones solares puede sobrecargar la red en el que se habla de la posibilidad de "flujo inverso de energía" y también se habla de algún tipo de dispositivo "protector de red". También hay un artículo similar sobre Hawaii La pesadilla de la interconexión en Hawai y su importancia para el sector fotovoltaico residencial estadounidense que afirma que la única "preocupación concreta identificada por la experiencia hawaiana es el potencial de sobretensión transitoria en el alimentador, esencialmente un pico de tensión de corta duración".

Tengo curiosidad por saber qué ocurre aquí, tanto en una gran red como en un microentorno. Por ejemplo, supongamos que tengo una batería totalmente cargada y le sigo inyectando electricidad. ¿Qué ocurre? ¿Existen dispositivos que desvíen o disipen la electricidad en forma de calor sin dañar nada? He encontrado algunas preguntas similares en Internet, pero las respuestas no eran demasiado claras.

Answer 1

Como puede imaginarse, no se trata de algo que tenga una única solución, y el problema en sí también es bastante complejo. Desglosémoslo.

La red eléctrica, tal y como existe actualmente en la mayoría de los países civilizados, tiene una estructura jerárquica: en la parte superior están las grandes centrales eléctricas centralizadas, debajo se encuentran las redes de distribución de MT a gran escala o anillos de distribución, después vienen las redes urbanas (normalmente de unos 400 kV) que suelen ser subterráneas de AT, las redes de barrio (20 kV o tensión de red polifásica) y después las redes de "código postal" de baja tensión que distribuyen 115/230V. Por supuesto, como ya indica su pregunta, esta jerarquía presupone un flujo neto de energía de la central eléctrica al hogar, y no al revés.

La mayor parte de la generación de energía descentralizada -paneles solares no comerciales, turbinas eólicas y similares- se produce a nivel doméstico, es decir, produce 115/230 VCA y la bombea a la red eléctrica. La mayoría de las veces esto está bien porque la energía generada es mucho menor que la consumida y el flujo neto de energía sigue en la dirección correcta. En raras ocasiones, pero más a menudo hoy en día debido al bajo precio de la energía solar, la cantidad de energía generada es superior a la energía consumida a nivel de código postal. Básicamente, para todas las redes eléctricas esto no supone un gran problema. Los transformadores utilizados para convertir la MT en 115/230V son transformadores lineales y funcionan igual de bien en una dirección que en la otra. Casi nunca tienen PFC u otros parámetros dependientes de la dirección de flujo, así que no hay problema.

El problema al que se enfrentan la mayoría de las redes eléctricas es lo que ocurre un escalón por encima. Aquí llegamos al paso de conversión de la red subterránea de la ciudad a bloques más pequeños, y estas estaciones transformadoras hoy en día a menudo tienen PFC o al menos algún tipo de mecanismo de desacoplamiento para asegurarse de que la interferencia de la red de la ciudad no viaja de vuelta a las líneas de alta tensión como lo haría a través de un transformador lineal. Si esta unidad genera más energía de la que consume, esa energía (por lo general) no puede ir a ninguna parte, o al menos se impide que lo haga mediante una electrónica muy cara y no tan fácil de sustituir en cualquier lugar. La respuesta refleja del sistema es accionar un interruptor y separar esta unidad del resto de la red. Por supuesto, esto no "matará" a esta unidad; la energía generada simplemente elevará la tensión de esta red hasta el límite de seguridad de los inversores de potencia (normalmente la tensión nominal + 5-7%) y muy a menudo desestabilizará la frecuencia de CA. Pero la energía seguirá estando ahí hasta que pase una nube, la red caiga por debajo de los voltajes de caída de tensión y todos los inversores solares se apaguen. Este problema se denomina "problema de generación en isla" y es muy difícil de resolver sin algún tipo de inteligencia adicional en la red eléctrica y los inversores (es decir, redes inteligentes).

Sin embargo, como puedes ver en este párrafo anterior, la energía extra no va necesariamente a ninguna parte. Si se produce una situación de isla, los inversores no sólo tienen que verter toda su energía disponible a la red, sino también modularse cuando ésta alcanza un determinado voltaje. Cuando esa nube acabe por pasar, se desconectarán y la situación quedará resuelta.

Existen mecanismos de protección alternativos. Algunos países disponen de interruptores de cortocircuito que pueden activarse con señales especiales (DTMF) a través de la línea eléctrica. Cuando se crea una isla, pueden cortocircuitar la red eléctrica a tierra y apagar inmediatamente una sección de la red. Sin embargo, esta práctica no es muy segura, ya que suele provocar picos inductivos en la red eléctrica que pueden dañar tanto la red como los aparatos electrónicos domésticos. Hoy en día apenas se utiliza. Sin embargo, es un mecanismo de protección importante para los generadores eléctricos que no regulan bien su producción y pueden provocar una situación de sobretensión.

Answer 2

En Alemania, este mes de mayo, el precio pagado por la energía renovable realmente giro negativo ya que tenían demasiado. En otras palabras, cobraban a los productores por quedarse con el exceso de energía. Así que se ocuparon del exceso de energía incentivando a los productores para que no la inyectaran en la red, lo que es fácil con la energía solar y posible con la eólica.

Los distintos métodos de generación tienen constantes de tiempo diferentes: a las centrales nucleares les gusta funcionar a pleno rendimiento y el arranque y la parada llevan mucho tiempo. La producción de las centrales hidroeléctricas puede modificarse rápidamente redirigiendo o estrangulando el caudal de agua. Las centrales térmicas (solía tener una cerca) tienen una constante de tiempo más larga, así que si de repente se pierde la carga (el wot ralentiza las turbinas), la energía almacenada en el vapor tiene que ser expulsada (¡en voz alta!) para evitar que los generadores se descontrolen. No intentan absorber la energía eléctrica, que yo sepa, aunque hice un estudio de viabilidad sobre la instrumentación de un sumidero de energía masivo que absorbería enormes cantidades de energía (es divertido fabricar instrumentos que funcionen con tensiones en modo común de cientos de kV).

Almacenar energía en grandes cantidades de forma razonablemente eficiente es un problema muy difícil, sin solución obvia. Un par de métodos son las baterías/inversores distribuidos y el método tradicional de bombear agua cuesta arriba hasta una presa para almacenarla y dejarla salir a través de turbinas y generadores para recuperar (parte de) ella.

Answer 3

Permítanme reformular estos artículos en términos que faciliten su comprensión y los sitúen en su contexto. Yo veo estos artículos como el equivalente a "Acabo de comprarme un Ferrari nuevo y tengo un grave problema: tengo que cambiar las pastillas de freno porque la potencia del motor es excesiva cuando me acerco a un semáforo".

La respuesta es sencilla: "quita el pie del acelerador", es decir, deja de producir energía cuando no puedas utilizarla.

En realidad, no hay un problema de sobreproducción, sino de sobreentrega, y lo único que hay que hacer es enviar una señal a los productores para que dejen de inyectar energía a la red. De hecho, algunos controladores de paneles solares utilizan la sombra de las nubes para predecir la cantidad de energía que se va a producir en los próximos 10 o 15 minutos y la señal de que adelante a la autoridad de la red.

Este tipo de artículos no son útiles. Hay graves problemas con la red principal y los enlaces de interconexión que pueden resolverse simplemente aprobando leyes y gastando dinero. Hacer que los productores de energía eólica dirijan su sistema de control tiene soluciones mucho más sencillas.

Answer 4

Es un problema complicado con diversas respuestas.

Incluso sin soluciones, existe cierta tolerancia ante un desajuste entre la oferta y la demanda. Demasiada demanda/demasiada poca oferta) bajará el voltaje y la frecuencia de la red desde su punto habitual de 50hz/60hz/cualquiera que sea la red de tu país. A la inversa, demasiada oferta/demanda insuficiente aumentará la frecuencia. Una pequeña desviación de la frecuencia no es un problema importante. En Nueva Zelanda, la red eléctrica es de 50 Hz, pero la red no tiene problemas con frecuencias que oscilen entre 49 y 52 Hz. Fuera de este margen, puede haber problemas graves. En concreto, si se baja de 49 hz, se pueden dañar los generadores, que se apagarán o aislarán automáticamente. Esto significa que la frecuencia de la red baja aún más, ya que hay menos suministro, provocando una reacción en cadena y, finalmente, un colapso total de la red.

Para evitar que esto ocurra, los operadores del mercado pagan a personas para que realicen diversos servicios. Estos difieren de un país a otro, pero de nuevo utilizaré Nueva Zelanda como ejemplo.

Mantenimiento de la frecuencia: actúa tanto para aumentar como para disminuir la frecuencia de la red, según sea necesario. Por utilizar una analogía con la conducción, observe a alguien mientras conduce. Está constantemente haciendo pequeños movimientos con el volante, de los que probablemente no es consciente, pero reacciona a la posición del volante para mantener el coche recto al pasar por pequeños baches de la carretera. Tradicionalmente, esto lo han hecho los generadores, que funcionan a menos del 100% de su capacidad, capaces de variar su potencia con un tiempo de respuesta inferior a un segundo.

Reservas - En Nueva Zelanda, las "reservas" deben procurarse en todo momento para mantener la red en caso de una situación N-1, ya sea la pérdida del mayor generador o la pérdida de las líneas de transmisión entre las islas Norte y Sur. En Europa, el conjunto del continente funciona en una situación N-2, que representa la pérdida de 2 grandes centrales nucleares. Estas reservas pueden adoptar la forma de generadores que funcionen por debajo de su capacidad y sean capaces de repuntar rápidamente, o (de forma más barata y rápida) recursos de respuesta a la demanda, es decir, sitios dispuestos a reducir la carga según sea necesario para mantener la red. Estos recursos suelen separarse por tiempo de respuesta y cantidad de tiempo que pueden mantener el cambio. Nueva Zelanda tiene un mercado rápido (1 segundo de respuesta para las cargas, 6 s para los generadores durante 1 minuto) y un mercado sostenido (60 segundos de respuesta pero durante más tiempo, hasta 30 minutos). Volviendo a la analogía con el coche, en este caso el vehículo choca contra un bache y se desvía hacia un árbol: hay que girar el volante hacia el otro lado para volver a la carretera (pero no hay que desviarse demasiado o acabaremos chocando contra un árbol al otro lado de la carretera).

Para utilizar nuestra analogía automovilística, hay una curva en la carretera. La vemos venir desde muy lejos y tenemos que hacer un giro enorme para no salirnos de la carretera. Es el caso de las olas de calor en verano, las olas de frío en invierno, los picos nocturnos, etc. A esto se puede hacer frente con diversas tecnologías. Normalmente, la mayor parte procede de generadores de pico, que sólo funcionan unos pocos días al año. Una vez más, la respuesta a la demanda entra en juego: a menudo es más barato cerrar una fábrica durante 20 horas al año que construir un nuevo generador y modernizar las líneas de transmisión.

Answer 5

Trabajo en el tema y creo que puedo ayudar a explicarlo.

Lo explicaré utilizando la analogía del agua:

Flujo de corriente eléctrica -> Flujo de agua

Tensión -> presión

Dijo esto,

Si tenemos una red con nodos y ramas, los nodos son donde se inyecta y sustrae el agua de la red, y las ramas son las tuberías.

(En las redes eléctricas, los tubos son transformadores y líneas, mientras que los nodos son los nudos o barras colectoras).

Si se inyecta "agua" en un nodo que originalmente se diseñó para el consumo, la presión en las tuberías podría aumentar hasta un nivel en el que las tuberías se rompieran. (Esto sería producción solar a nivel doméstico) Del mismo modo, un consumo excesivo en un nodo puede reducir demasiado la presión de las tuberías y el sistema no funcionará.

La forma de solucionarlo es almacenar el excedente de energía y suministrarlo cuando sea necesario, por eso las baterías son el santo grial de las renovables.

La enorme penetración de las renovables es una situación a la que los operadores de red y las compañías eléctricas se oponen porque les obliga a adoptar nuevos enfoques para un trabajo que llevan haciendo desde hace un siglo con pocos cambios radicales como los que tienen que hacer. (Mi opinión)

Espero que esto sea lo suficientemente claro, de lo contrario puedo explicar las cosas más ya que este es mi trabajo diario.

[EDIT: ¿Por qué se rompen las tuberías?]

Bueno, como me pediste, voy a ir un poco más en detalle aquí:

Cada elemento de derivación (líneas y transformadores) tiene un límite en la cantidad de corriente que puede pasar por él sin sobrecalentarse e incendiarse. Esta corriente nominal se puede sobrepasar durante un tiempo limitado, por lo que una sobrecarga no es un suceso de vida o muerte, si no dura demasiado (además, las sobrecargas reducen la vida útil de los elementos).

Por otra parte, la tensión debe estar dentro de un +-5% de la tensión nominal de un nodo, esto es 230V +-5% por fase (en Europa, en EE.UU. es 125?). La generación de energía en un nodo aumenta la tensión en ese nodo y en los nodos vecinos (Para la misma situación de carga) El aumento de la demanda en un nodo disminuye la tensión en ese nodo y sus vecinos). Por eso, si pongo una gran cantidad de paneles solares en casa, puede que tenga problemas de tensión en mi casa y en las casas de mis vecinos. Este problema se puede mitigar con una programación adecuada del firmware del inversor, pero en muchos países no existe ninguna regulación al respecto, por lo que existen problemas de los que la gente no ha oído hablar, pero que son muy reales.

Pero, ¿por qué la tensión tiene que estar en ese límite? Bueno, este límite es una restricción de seguridad establecida por los operadores de la red. Si la tensión en los enchufes de tu casa es demasiado alta, puede estropear la electrónica de potencia de tus aparatos (ordenadores, televisores, etc.). Si la tensión es demasiado baja, los aparatos electrónicos pueden no funcionar o incluso estropearse. Una bombilla incandescente brilla más con alta tensión y menos con baja tensión.

Dígame si necesita más detalles. Santi.