Redes Eléctricas Inteligentes y Energía Nucleoeléctrica

25 de enero de 2022

Redes Eléctricas Inteligentes y Energía Nucleoeléctrica

La electricidad es la forma más versátil y más ampliamente utilizada de energía, y su demanda no deja de crecer en todo el mundo. Sin embargo, la generación de electricidad es la primera fuente de emisiones de dióxido de carbono, y por ello supone una importante contribución al cambio climático. Para mitigar estas consecuencias en el cambio climático, el sistema eléctrico actual necesita someterse a importantes cambios.

El sistema eléctrico actual se construyó hace más de cien años, y es una de las primeras infraestructuras de las que depende la sociedad moderna para su funcionamiento. Suministra energía eléctrica a los consumidores comerciales y residenciales, y atiende su demanda que no deja de crecer.

La mayor parte de la capacidad de generación actual está basada en combustibles fósiles, por lo que contribuye en buena medida al aumento del dióxido de carbono en la atmósfera, con las negativas consecuencias que ello tiene para el clima y la sociedad en general.

Para satisfacer tanto la demanda creciente de energía, como la necesidad de reducir las emisiones de dióxido de carbono, necesitamos un sistema eléctrico que pueda abordar estos retos de forma sostenible, fiable y económica.

Las redes inteligentes suministrarán más electricidad para atender la demanda creciente, mejorarán la fiabilidad y calidad de la generación, aumentarán la eficiencia energética y serán capaces de integrar en la red a las fuentes de bajas emisiones.

Las redes inteligentes tienen capacidad de responder a la demanda y equilibrar el consumo eléctrico con la generación, así como también tienen el potencial de integrar nuevas tecnologías de almacenamiento de electricidad, y permiten la utilización a gran escala de vehículos eléctricos.

Los sistemas eléctricos sufrirán una importante evolución, mejorando su fiabilidad y reduciendo las pérdidas, las inversiones necesarias, y los costes de mantenimiento. La red, al ser más inteligente, mejorará el control sobre los costes energéticos y será una fuente de energía más fiable para los consumidores. Los beneficios ambientales de las redes más inteligentes incluirán la disminución de los picos de demanda, la integración de más fuentes renovables, y la reducción de emisiones de CO₂ y otros contaminantes [1].

La energía nucleoeléctrica combinada con las redes eléctricas puede ayudar a los países a hacer la transición a fuentes de electricidad con bajas emisiones de carbono y garantizar suministros energéticos fiables, estables y sostenibles.

Muchos países están diversificando su canasta energética de fuentes de baja emisión de carbono para ayudar a descarbonizar su economía y cumplir sus objetivos climáticos, lo cual ha dado lugar a una transición mundial a fuentes de energía renovables. Sin embargo, por sí solas, estas fuentes no pueden satisfacer la demanda de forma íntegra y fiable.

“Las fuentes de energía renovable con bajas emisiones de carbono son inocuas para el clima, pero no siempre pueden controlarse fácilmente ni satisfacer la demanda energética debido al carácter intermitente de las energías solar y eólica y a la falta de capacidades de almacenamiento de energía en masa. En consecuencia, la red eléctrica a menudo necesita fuentes de energía complementarias”, señala Henri Paillere, Jefe de la Sección de Estudios Económicos y Planificación del OIEA. “Con la contribución de fuentes de energía más diversas a las redes eléctricas, estas han debido volverse más flexibles y adaptables para asegurar un suministro energético fiable y resiliente”.

Se puede generar energía con bajas emisiones de carbono por medios nucleoeléctricos las 24 horas, lo cual proporciona la seguridad energética que los países necesitan para adoptar sistemas energéticos con bajas emisiones de carbono. Al funcionar de manera flexible, las centrales nucleares pueden complementar la generación variable de energía que se obtiene con las energías renovables y, gracias a la inercia de sus grandes turbinas de vapor, estas centrales también pueden ayudar a estabilizar las redes y garantizar un suministro limpio y fiable de energía eléctrica.

Tradicionalmente, las redes eléctricas han dependido de centrales alimentadas por combustibles fósiles, como el carbón y el gas natural, para encenderse y apagarse a fin de satisfacer la demanda energética cuando esta sobrepasa la oferta.

En cambio, las redes eléctricas inteligentes pueden admitir muchas fuentes distintas de energía y cambiar de manera dinámica entre ellas, a diferencia de las redes eléctricas tradicionales, que son menos flexibles. Aunque hace ya tiempo que existen redes inteligentes, los avances tecnológicos las han llevado al siguiente nivel. Las redes inteligentes pueden utilizar tecnología reciente, como la inteligencia artificial y el Internet de las cosas: un sistema de computadoras y dispositivos conectados a través de Internet que pueden compartir datos y actuar en función de estos de forma dinámica, para recopilar información, aumentar el rendimiento operativo y automatizar los procesos.

Por ejemplo, una red eléctrica inteligente puede utilizar los pronósticos generados por la inteligencia artificial para pronosticar un día nublado y sin viento y cambiar dinámicamente de la producción de origen solar y eólico a alternativas como la energía nucleoeléctrica para evitar interrupciones en el suministro. La inteligencia artificial también permite pronosticar dónde puede desatarse una tormenta y cuánto puede durar y enviar señales a la red para que aumente y diversifique la producción en caso de daños en las líneas de transmisión.

Si se rompe una línea de transmisión o hay un corte de energía, los sensores y dispositivos del sistema de Internet de las cosas de la red pueden informar a los operadores de la necesidad de realizar obras de reparación y redirigir la electricidad o recuperarla de otra fuente.

Con las redes eléctricas tradicionales, las repercusiones de una tormenta solo pueden evaluarse tras su paso. Por lo tanto, vivir en una zona alimentada por una línea de transmisión eléctrica rota a menudo suponía quedarse sin electricidad hasta que se reparara la línea. Gracias a su capacidad de encontrar soluciones alternativas para la producción y el suministro de electricidad, las redes inteligentes son más resilientes y pueden reducir los cortes sufridos por los consumidores.

En Électricité de France (EDF), uno de los mayores productores de electricidad a nivel mundial, por ejemplo, algunas de las tecnologías innovadoras de redes inteligentes actualmente en proceso de desarrollo comprenden el uso de la tecnología 5G —la nueva generación de tecnología de Internet móvil— para impulsar el Internet de las cosas y el desarrollo de redes híbridas más eficientes para las corrientes eléctricas. También se están introduciendo tecnologías de cadenas de bloques, que ofrecen una forma muy segura de vigilar y gestionar las transacciones, para certificar dónde se produce energía limpia y en qué cantidad. EDF emplea un método llamado “creación de gemelos digitales” a fin de generar entornos virtuales para prever las necesidades de mantenimiento de las redes y reducir los gastos de reparación.

“Nuestra labor de investigación y desarrollo sobre las redes inteligentes se centra en diversos desafíos. También estamos teniendo en cuenta las expectativas de la sociedad en cuanto a una infraestructura eléctrica más ecológica y preparándonos para los riesgos, como los cibernéticos y los relacionados con el impacto del cambio climático, además de garantizar que las redes sean resilientes a posibles crisis”, expresa Bernard Salha, Director de Investigación y Desarrollo de EDF. “Por supuesto, todo método nuevo logrado gracias al aumento de la capacidad informática se ensayará en los modelos existentes para aumentar su precisión”.

La inercia de la red y la energía nucleoeléctrica

Las redes eléctricas inteligentes permiten que más fuentes de energía estén conectadas de forma activa y se utilicen de manera dinámica. Sin embargo, ello ha dado pie también a mayores fluctuaciones en la frecuencia eléctrica y, por lo tanto, a una mayor inestabilidad.

Una red eléctrica funciona a una frecuencia específica y está diseñada para mantenerse dentro de un rango determinado con el objeto de garantizar un suministro de energía constante. Los cambios de frecuencia ocurren constantemente a medida que las personas apagan y encienden sus dispositivos eléctricos. Estos cambios son absorbidos por las partes móviles que generan electricidad en una fuente de energía, como una turbina giratoria en una central nuclear o una central alimentada con combustibles fósiles.

Esta pesada masa giratoria puede moverse con mayor o menor rapidez para ejercer funciones de amortiguación y, de esta manera, ayudar a equilibrar las fluctuaciones en la frecuencia y compensar los cambios rápidos. La manera en que se mueven estas partes y su influencia en la energía de la red se denominan “inercia de la red”.

Sin embargo, fuentes de energía renovables como la solar no tienen partes móviles. Otras energías renovables sí cuentan con esas partes móviles, como las turbinas eólicas, pero estas no están conectadas directamente a la red, sino que funcionan mediante un convertidor de frecuencia, por lo que carecen de la inercia necesaria.

“Sin inercia, la red tiene una capacidad limitada de absorber las fluctuaciones y puede volverse inestable”, explica Shannon Bragg-Sitton, Directora Técnica Nacional de Sistemas Energéticos Integrados en el Laboratorio Nacional de Idaho de los Estados Unidos. “También se vuelve particularmente vulnerable a los grandes cambios, como la desconexión repentina de una fuente de energía, un cambio importante en la carga neta o un suceso grave en la transmisión. Estos cambios podrían provocar sobrecargas o cortes repentinos de electricidad y posibles cortes bruscos ulteriores de la energía eléctrica. La energía nucleoeléctrica puede ayudar a hacer frente a este problema y dotar a la red de parte de la estabilidad necesaria”.

El OIEA también conecta a las partes interesadas del sector nuclear y del sistema de redes eléctricas y les permite intercambiar información, presentar buenas prácticas y examinar los desafíos y las oportunidades comunes. Estas actividades ayudan a los países a determinar sus estrategias energéticas para lograr la seguridad y la sostenibilidad del suministro de energía [2].

Figura 2. Red eléctrica inteligente con varios tipos de generación de energía eléctrica (solar, eólica, nuclear).

Infraestructura de una Red Eléctrica Inteligente (REI)

De acuerdo con el Programa de Redes Inteligentes de la Secretaría de Energía de México, emitido en 2016, una REI debe mejorar el sistema eléctrico nacional a través de ser eficiente, seguro, flexible, resiliente, de calidad, confiable y sustentable. Ante todo debe ser capaz de reestructurarse y de recopilar información para conocer cuáles fueron las fallas que se dieron en el sistema y solucionarlas.

La arquitectura de una REI debe estar integrada (además de la generación, transmisión y distribución) por los clientes y un proveedor de servicios, quien supervisa los productos ofrecidos por terceros, como portales web que ofertan la electricidad a los clientes, la instalación y el mantenimiento.

Otros sistemas que son parte de este REI son la operación (que gestiona el flujo de electricidad de los distintos dominios de la red) y el mercado (que coordina a los que participan en el comercio de servicios energéticos dentro de la REI).

Estos elementos en conjunto le otorgarían a las REI mayores ventajas en cuanto a su funcionamiento, costo y eficiencia. Además de que se espera que puedan agregar el uso de energías renovables (como la solar, la eólica, mareográfica o nuclear) a su desarrollo.

Flexible y confiable

Para conformar una REI es necesaria la implementación de varios sistemas informáticos a la red eléctrica tradicional. Por ejemplo, aquellos que almacenen y analicen la información geográfica y estadística, así como el estado de la red eléctrica y de adquisición de datos para control y monitoreo de equipos de campo, además de softwares que otorguen la energía de manera segura, económica y confiable.

Se necesitan medidores inteligentes, sistemas de información de datos que permitan la comunicación entre los medidores y la empresa, así como un sistema de administración de datos que recopile la información de distintos servidores y la procese.

Además, se requiere de un sistema que indique la ubicación de cada trabajador, para saber qué actividad realiza y si pueden acudir a una emergencia; un sistema que administre las fallas de la red eléctrica, como lugar y magnitud, así como la automatización de la distribución de la energía, entre otros.

Toda la información que se recopile sería enviada a un centro de control para ser analizada, buscar fallas y ofrecer mejoras para el sistema. “Podemos usar esa información para operar la red eléctrica sola, sin necesidad de que haya un operador”, señaló el doctor Ángeles Camacho.

Seguridad y beneficios de las REI

Entre los principales beneficios de las REI están incrementar la participación de las energías renovables, con lo cual se lograría una reducción de los gases de efecto invernadero, lograr precios competitivos en materia de electricidad, mejorar la calidad y confiabilidad del servicio, auto reparación de las fallas del sistema eléctrico, automatización de mantenimiento y reparación del mismo, entre otras.

“Cuando la red no era inteligente, si había una falla en un transformador, la electricidad se iba en las casas que estaban conectadas a éste. La gente hablaba a Comisión Federal de Electricidad y ésta mandaba una plantilla a ver qué había pasado. La plantilla veía el transformador y hacia la corrección que se tuviera que hacer”, explicó el universitario.

La idea es que con apoyo de la tecnología se vea cuál fue la falla desde un centro de operación, el mismo transformador trate de repararla de manera automática y sólo si no puede hacerlo, enviaría una alerta al operador. Esto ya se consideraría como una acción secundaria, ya que la primaria sería que él mismo encienda sus protecciones. Este concepto es conocido como resiliencia, es decir, que el sistema se repare solo.

“La capacidad de que el sistema se repare solo permitirá que el usuario no se percate de que hubo un problema en el transformador. En caso de que éste falle, la red tiene que estar configurada para que los usuarios que estaban conectados se puedan conectar a otro, de manera instantánea.” [3].