generación distribuida

La generación distribuida , también conocida como energía distribuida , generación in situ ( OSG ) ^{[ 1 ]} o energía distrital/descentralizada , es la generación y el almacenamiento de electricidad que se lleva a cabo mediante una variedad de dispositivos pequeños conectados a la red o al sistema de distribución, denominados recursos energéticos distribuidos ( DER ) ^{[ 2 ]} .

Las centrales eléctricas convencionales , como las de carbón , gas y nucleares , así como las represas hidroeléctricas y las centrales solares a gran escala , son centralizadas y a menudo requieren la transmisión de energía eléctrica a largas distancias. Por el contrario, los sistemas DER son tecnologías descentralizadas, modulares y más flexibles que se ubican cerca de la carga a la que sirven, aunque con capacidades de solo 10 megavatios (MW) o menos. Estos sistemas pueden comprender múltiples componentes de generación y almacenamiento; en este caso, se les denomina sistemas de energía híbridos . ^{[ 3 ]}

Los sistemas DER suelen utilizar fuentes de energía renovables , como minihidráulicas , biomasa , biogás , energía solar , eólica y geotérmica , y desempeñan un papel cada vez más importante en el sistema de distribución de energía eléctrica . Un dispositivo conectado a la red para el almacenamiento de electricidad también puede clasificarse como un sistema DER y a menudo se denomina sistema de almacenamiento de energía distribuida ( DESS ). ^{[ 4 ]} Mediante una interfaz, los sistemas DER pueden gestionarse y coordinarse dentro de una red inteligente . La generación y el almacenamiento distribuidos permiten la recolección de energía de múltiples fuentes y pueden reducir el impacto ambiental y mejorar la seguridad del suministro. ^{[ 5 ]}

Uno de los principales problemas con la integración de los DER, como la energía solar, la energía eólica, etc., es la naturaleza incierta de estos recursos eléctricos. Esta incertidumbre puede causar varios problemas en el sistema de distribución: (i) hace que las relaciones oferta-demanda sean extremadamente complejas y requiere herramientas de optimización complicadas para equilibrar la red, y (ii) ejerce mayor presión sobre la red de transmisión, ^{[ 6 ]} y (iii) puede causar un flujo de potencia inverso del sistema de distribución al sistema de transmisión. ^{[ 7 ]}

Las microrredes son redes modernas, localizadas y de pequeña escala, ^{[ 8 ] [ 9 ]} a diferencia de la red eléctrica centralizada tradicional (macrorred). Las microrredes pueden desconectarse de la red centralizada y operar de forma autónoma, fortalecer la resiliencia de la red y ayudar a mitigar las perturbaciones de la misma. Suelen ser redes de corriente alterna de baja tensión, a menudo utilizan generadores diésel y son instaladas por la comunidad a la que sirven. Las microrredes emplean cada vez más una combinación de diferentes recursos energéticos distribuidos, como sistemas híbridos de energía solar , que reducen significativamente la cantidad de carbono emitido.

Históricamente, las centrales eléctricas han sido una parte integral de la red eléctrica. En ellas, las grandes instalaciones generadoras se ubican estratégicamente cerca de los recursos o lejos de los centros de consumo poblados . Estas, a su vez, abastecen la red tradicional de transmisión y distribución (T&D), que distribuye energía a granel a los centros de consumo y, desde allí, a los consumidores. Su desarrollo se produjo cuando los costos de transportar combustible e integrar tecnologías de generación en áreas pobladas superaban con creces los costos de desarrollar las instalaciones y tarifas de T&D. Las centrales eléctricas suelen diseñarse para aprovechar las economías de escala disponibles de forma específica para cada emplazamiento, y se construyen como proyectos personalizados y únicos.

Estas economías de escala comenzaron a fallar a finales de la década de 1960 y, a principios del siglo XXI, las centrales eléctricas ya no podían suministrar electricidad competitiva, barata y fiable a los clientes más remotos a través de la red, porque las centrales habían llegado a costar menos que la red y se habían vuelto tan fiables que casi todos los cortes de energía se originaban en la red. Por lo tanto, la red se había convertido en el principal factor determinante de los costes de la electricidad y los problemas de calidad de la energía para los clientes remotos, que se agudizaron a medida que los equipos digitales requerían electricidad extremadamente fiable. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Las ganancias de eficiencia ya no provienen del aumento de la capacidad de generación, sino de unidades más pequeñas ubicadas más cerca de los puntos de demanda. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Por ejemplo, las centrales eléctricas de carbón se construyen lejos de las ciudades para evitar que su alta contaminación atmosférica afecte a la población. Además, suelen construirse cerca de las minas de carbón para minimizar el coste del transporte. Las centrales hidroeléctricas , por su naturaleza, solo pueden operar en lugares con suficiente caudal de agua.

La baja contaminación es una ventaja crucial de las centrales de ciclo combinado que queman gas natural . Esta baja contaminación permite que las centrales se ubiquen lo suficientemente cerca de una ciudad como para proporcionar calefacción y refrigeración urbana.

Los recursos energéticos distribuidos se producen en masa, son pequeños y menos específicos de un lugar. Su desarrollo surgió a partir de:

1. preocupaciones sobre los costos externalizados percibidos de la generación de energía en centrales eléctricas, en particular las preocupaciones ambientales;
2. la creciente antigüedad, el deterioro y las limitaciones de capacidad de la red de transmisión y distribución de energía a gran escala;
3. la creciente economía relativa de la producción en masa de electrodomésticos más pequeños frente a la fabricación pesada de unidades más grandes y la construcción in situ;
4. Junto con precios relativos más altos para la energía, aumenta la complejidad general y los costos totales de la supervisión regulatoria, la administración de tarifas y la medición y facturación.

Los mercados de capitales han comprendido que los recursos dimensionados adecuadamente, para clientes individuales, subestaciones de distribución o microrredes, pueden ofrecer ventajas económicas importantes pero poco conocidas sobre las centrales eléctricas. Las unidades más pequeñas lograron mayores beneficios económicos a través de la producción en masa que las unidades más grandes obtuvieron solo por su tamaño. El mayor valor de estos recursos, resultante de mejoras en el riesgo financiero, la flexibilidad de ingeniería, la seguridad y la calidad ambiental, a menudo supera sus aparentes desventajas de costos. ^{[ 14 ]} La generación distribuida (GD), en comparación con las centrales eléctricas, debe justificarse en función de su ciclo de vida. ^{[ 15 ]} Desafortunadamente, muchos de los beneficios directos, y prácticamente todos los indirectos, de la GD no se reflejan en la contabilidad tradicional del flujo de caja de las empresas de servicios públicos . ^{[ 10 ]}

Si bien el costo nivelado de la GD suele ser más caro que el de las fuentes convencionales centralizadas por kilovatio-hora, esto no considera los aspectos negativos de los combustibles convencionales. La prima adicional de la GD está disminuyendo rápidamente a medida que aumenta la demanda y avanza la tecnología, ^{[ 16 ] [ 17 ]} y una demanda suficiente y confiable puede generar economías de escala, innovación, competencia y una financiación más flexible, lo que podría convertir a la energía limpia de la GD en parte de un futuro más diversificado.

La generación distribuida reduce la cantidad de energía que se pierde en la transmisión de electricidad, ya que esta se genera muy cerca del punto de consumo, incluso en el mismo edificio. Esto también reduce el tamaño y la cantidad de líneas eléctricas que deben construirse.

Los sistemas típicos de recursos energéticos distribuidos (RED) en un esquema de tarifa de alimentación (FIT) se caracterizan por su bajo mantenimiento, baja contaminación y alta eficiencia. Anteriormente, estas características requerían ingenieros de operación especializados y plantas grandes y complejas para reducir la contaminación. Sin embargo, los sistemas integrados modernos ofrecen estas ventajas gracias a su operación automatizada y al uso de energías renovables , como la solar , la eólica y la geotérmica . Esto reduce el tamaño de la planta de energía necesaria para generar beneficios.

Los sistemas de recursos energéticos distribuidos ( RED ) son tecnologías de generación o almacenamiento de energía a pequeña escala (normalmente en el rango de 1  kW a 10 000  kW) ^{[ 25 ]} que se utilizan para proporcionar una alternativa o una mejora al sistema eléctrico tradicional. Los sistemas RED se caracterizan típicamente por altos costos de capital inicial por kilovatio. ^{[ 26 ]} Los sistemas RED también funcionan como dispositivos de almacenamiento y a menudo se denominan sistemas de almacenamiento de energía distribuida (SADE). ^{[ 27 ]}

Los sistemas DER pueden incluir los siguientes dispositivos/tecnologías:

• La energía térmica combinada (CHP), ^{[ 28 ]} también conocida como cogeneración o trigeneración.
• pilas de combustible
• Sistemas de energía híbridos ( sistemas híbridos solares y eólicos )
• Microcogeneración (MicroCHP)
• Microturbinas
• Sistemas fotovoltaicos (normalmente paneles solares fotovoltaicos instalados en tejados )
• Motores alternativos
• pequeños sistemas de energía eólica
• motores Stirling
• o una combinación de las anteriores. Por ejemplo, los sistemas híbridos fotovoltaicos , de cogeneración y de baterías pueden proporcionar energía eléctrica completa para viviendas unifamiliares sin gastos de almacenamiento excesivos. ^{[ 29 ]}

Por razones de confiabilidad, los recursos de generación distribuida se interconectarían a la misma red de transmisión que las centrales eléctricas. La integración de estos recursos en una red plantea diversos problemas técnicos y económicos. Los problemas técnicos surgen en las áreas de calidad de la energía , estabilidad de voltaje, armónicos, confiabilidad, protección y control. ^{[ 47 ] [ 48 ]} El comportamiento de los dispositivos de protección en la red debe examinarse para todas las combinaciones de generación distribuida y de centrales eléctricas. ^{[ 49 ]} Un despliegue a gran escala de generación distribuida puede afectar funciones de toda la red, como el control de frecuencia y la asignación de reservas. ^{[ 50 ]} Como resultado, se agregan a la red funciones de red inteligente , centrales eléctricas virtuales ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]} y almacenamiento de energía en la red, como energía para estaciones de gas. Se producen conflictos entre las empresas de servicios públicos y las organizaciones de gestión de recursos. ^{[ 54 ]}

Cada recurso de generación distribuida tiene sus propios problemas de integración. Tanto la energía solar fotovoltaica como la eólica tienen una generación intermitente e impredecible, por lo que crean muchos problemas de estabilidad de voltaje y frecuencia. Estos problemas de voltaje afectan a los equipos mecánicos de la red, como los cambiadores de tomas de carga, que responden con demasiada frecuencia y se desgastan mucho más rápido de lo que las empresas de servicios públicos anticiparon. ^{[ 55 ]} Además, sin ningún tipo de almacenamiento de energía durante los períodos de alta generación solar, las empresas deben aumentar rápidamente la generación alrededor de la puesta del sol para compensar la pérdida de generación solar. Esta alta tasa de rampa produce lo que la industria denomina la curva del pato , que es una gran preocupación para los operadores de la red en el futuro. ^{[ 56 ]} El almacenamiento puede solucionar estos problemas si se puede implementar. Los volantes de inercia han demostrado proporcionar una excelente regulación de frecuencia. ^{[ 57 ]} Además, los volantes de inercia son altamente ciclados en comparación con las baterías, lo que significa que mantienen la misma energía y potencia después de una cantidad significativa de ciclos (del orden de 10 000 ciclos). ^{[ 58 ]} Las baterías de uso a corto plazo, a una escala suficientemente grande, pueden ayudar a aplanar la curva de pato y prevenir la fluctuación del uso del generador, además de contribuir a mantener el perfil de voltaje. ^{[ 59 ]} Sin embargo, el costo es un factor limitante importante para el almacenamiento de energía, ya que cada técnica es prohibitivamente cara de producir a gran escala y comparativamente no tiene la densidad energética de los combustibles fósiles líquidos. Finalmente, otro método para facilitar la integración es el uso de inversores inteligentes que también tienen la capacidad de almacenar energía cuando la producción supera el consumo. ^{[ 60 ]}

Se han realizado algunos esfuerzos para mitigar los problemas de voltaje y frecuencia debido a la mayor implementación de DG. En particular, la norma IEEE 1547 establece el estándar para la interconexión e interoperabilidad de los recursos energéticos distribuidos. La IEEE 1547 establece curvas específicas que señalan cuándo eliminar una falla en función del tiempo transcurrido desde la perturbación y la magnitud de la irregularidad de voltaje o frecuencia. ^{[ 61 ]} Los problemas de voltaje también brindan a los equipos heredados la oportunidad de realizar nuevas operaciones. En particular, los inversores pueden regular la salida de voltaje de los DG. Cambiar las impedancias de los inversores puede cambiar las fluctuaciones de voltaje de los DG, lo que significa que los inversores tienen la capacidad de controlar la salida de voltaje de los DG. ^{[ 62 ]} Para reducir el efecto de la integración de DG en los equipos mecánicos de la red, los transformadores y los cambiadores de tomas bajo carga tienen el potencial de implementar curvas específicas de operación de tomas vs. operación de voltaje que mitiguen el efecto de las irregularidades de voltaje debido a los DG. Es decir, los cambiadores de tomas bajo carga responden a fluctuaciones de voltaje que duran un período más largo que las fluctuaciones de voltaje creadas por los equipos de DG. ^{[ 63 ]}

Ahora es posible combinar tecnologías como la fotovoltaica , las baterías y la cogeneración para crear sistemas de generación distribuida autónomos. ^{[ 64 ]}

Trabajos recientes han demostrado que dichos sistemas tienen un bajo costo nivelado de electricidad . ^{[ 65 ]}

Muchos autores creen ahora que estas tecnologías podrían permitir una deserción masiva de la red eléctrica , ya que los consumidores pueden producir electricidad utilizando sistemas fuera de la red , principalmente basados ​​en tecnología solar fotovoltaica . ^{[ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]} Por ejemplo, el Rocky Mountain Institute ha propuesto que podría haber una deserción generalizada de la red eléctrica . ^{[ 69 ]} Esto está respaldado por estudios realizados en el Medio Oeste. ^{[ 70 ]}

Los cogeneradores son populares porque la mayoría de los edificios ya queman combustibles, y la cogeneración puede extraer más valor del combustible. La producción local no tiene pérdidas de transmisión de electricidad en líneas eléctricas de larga distancia ni pérdidas de energía por el efecto Joule en los transformadores, donde generalmente se pierde entre el 8 % y el 15 % de la energía ^{[ 71 ]} (véase también el costo de la electricidad por fuente ). Algunas instalaciones más grandes utilizan la generación de ciclo combinado. Por lo general, esta consiste en una turbina de gas cuyos gases de escape hierven agua para una turbina de vapor en un ciclo Rankine . El condensador del ciclo de vapor proporciona el calor para la calefacción de espacios o un enfriador absorbente . Las plantas de ciclo combinado con cogeneración tienen las eficiencias térmicas más altas conocidas, a menudo superiores al 85 %. En países con distribución de gas a alta presión, se pueden utilizar turbinas pequeñas para llevar la presión del gas a niveles domésticos mientras se extrae energía útil. Si el Reino Unido implementara esto en todo el país, se dispondría de 2 a 4 GWe adicionales. (Cabe señalar que la energía ya se genera en otro lugar para proporcionar la alta presión inicial del gas; este método simplemente distribuye la energía por una ruta diferente). 

Una microrred es una agrupación localizada de generación de electricidad, almacenamiento de energía y cargas que normalmente opera conectada a una red centralizada tradicional ( macrorred ). Este punto único de acoplamiento común con la macrorred puede desconectarse. La microrred puede entonces funcionar de forma autónoma. ^{[ 72 ]} La generación y las cargas en una microrred suelen estar interconectadas a baja tensión y puede operar en CC, CA o una combinación de ambas. Desde el punto de vista del operador de la red, una microrred conectada puede controlarse como si fuera una sola entidad.

Las fuentes de generación de una microrred pueden incluir baterías estacionarias, pilas de combustible, energía solar, eólica u otras fuentes energéticas. La multiplicidad de fuentes de generación dispersas y la capacidad de aislar la microrred de una red más amplia proporcionarían un suministro eléctrico altamente fiable. El calor producido por fuentes de generación como las microturbinas podría utilizarse para calentar procesos locales o espacios, lo que permitiría un equilibrio flexible entre las necesidades de calor y energía eléctrica.

Se propusieron microrredes a raíz del apagón de julio de 2012 en la India : ^{[ 73 ]}

• Pequeñas microrredes que cubren  un radio de 30 a 50 km ^{[ 73 ]}
• Pequeñas centrales eléctricas de 5 a 10  MW para abastecer las microrredes.
• Generar energía localmente reduce la dependencia de las líneas de transmisión de larga distancia y disminuye las pérdidas por transmisión.

Las microrredes se han implementado en diversas comunidades alrededor del mundo. Por ejemplo, Tesla implementó una microrred solar en la isla samoana de Ta'u, que abastece de energía solar a toda la isla. ^{[ 74 ]} Este sistema de producción local ha permitido ahorrar más de 380 metros cúbicos (100 000 galones estadounidenses ) de combustible diésel. Además, es capaz de abastecer a la isla durante tres días completos si no brillara el sol durante ese período. ^{[ 75 ]} Este es un excelente ejemplo de cómo los sistemas de microrredes pueden implementarse en comunidades para fomentar el uso de recursos renovables y la producción local.  

Para planificar e instalar correctamente las microrredes, se necesita modelado de ingeniería. Existen múltiples herramientas de simulación y optimización para modelar los efectos económicos y eléctricos de las microrredes. Una herramienta de optimización económica ampliamente utilizada es el Modelo de Adopción de Clientes de Recursos Energéticos Distribuidos (DER-CAM) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Otra herramienta comercial de modelado económico de uso frecuente es Homer Energy , diseñada originalmente por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables . También existen algunas herramientas de flujo de potencia y diseño eléctrico que guían a los desarrolladores de microrredes. El Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste diseñó la herramienta pública GridLAB-D y el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) diseñó OpenDSS para simular el sistema de distribución (para microrredes). Una versión profesional integrada de DER-CAM y OpenDSS está disponible a través de BankableEnergy ( archivado el 11 de julio de 2018 en Wayback Machine ). Una herramienta europea que se puede utilizar para la simulación de la demanda de calor eléctrico, de refrigeración, calefacción y de procesos es EnergyPLAN de la Universidad de Aalborg, Dinamarca .

• La norma IEC 61850-7-420 es publicada por el Comité Técnico 57 de la IEC: Gestión de sistemas de potencia e intercambio de información asociado. Forma parte de la serie de normas IEC 61850, algunas de las cuales son normas fundamentales necesarias para la implementación de redes inteligentes. Utiliza servicios de comunicación mapeados a MMS según la norma IEC 61850-8-1.
• OPC también se utiliza para la comunicación entre diferentes entidades del sistema DER.
• El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) establece el estándar 2030.7 para controladores de microrredes. Este concepto se basa en cuatro bloques: a) Control a nivel de dispositivo (por ejemplo, control de voltaje y frecuencia), b) Control de área local (por ejemplo, comunicación de datos), c) Controlador de supervisión (software) (por ejemplo, optimización de despacho prospectivo de recursos de generación y carga) y d) Capa de red (por ejemplo, comunicación con la compañía eléctrica).
• Existe una amplia variedad de algoritmos de control complejos, lo que dificulta la implementación de sistemas de gestión y control de energía para usuarios residenciales y de pequeñas instalaciones de Recursos Energéticos Distribuidos (RED). En particular, las actualizaciones de comunicación y los sistemas de información de datos pueden resultar costosos. Por ello, algunos proyectos buscan simplificar el control de los RED mediante productos comerciales y hacerlos accesibles al público general (por ejemplo, utilizando una Raspberry Pi). ^{[ 76 ] [ 77 ]}

En 2010, Colorado promulgó una ley que exige que para 2020 el 3% de la energía generada en Colorado utilice algún tipo de generación distribuida. ^{[ 78 ] [ 79 ]}

El 11 de octubre de 2017, el gobernador de California, Jerry Brown, promulgó la ley SB 338, que obliga a las empresas de servicios públicos a planificar "alternativas libres de carbono a la generación de gas" para satisfacer la demanda máxima. La ley exige que las empresas de servicios públicos evalúen cuestiones como el almacenamiento de energía, la eficiencia y los recursos energéticos distribuidos. ^{[ 80 ]}

• Brass, JN; Carley, S.; MacLean, LM ; Baldwin, E. (2012). "Energía para el desarrollo: una revisión de proyectos de generación distribuida en el mundo en desarrollo" . Annual Review of Environment and Resources . 37 : 107–136 . doi : 10.1146/annurev-environ-051112-111930 .
• Gies, Erica. Hacer del consumidor un participante activo en la red eléctrica , The New York Times , 29 de noviembre de 2010. Analiza la generación distribuida y la Comisión Federal Reguladora de Energía de EE. UU .
• Jacobson, Mark Z. (2023). No se necesitan milagros: Cómo la tecnología actual puede salvar nuestro clima y limpiar nuestro aire . Nueva York: Cambridge University Press. pág.  454. ISBN 9781009249546.
• Pahl, Greg (2012). El poder del pueblo  : cómo organizar, financiar y lanzar proyectos energéticos locales . Santa Rosa, California: Post Carbon Institute. ISBN 9781603584098.