Smart Grid - Jaime Boal

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  • 5/23/2018 Smart Grid - Jaime Boal

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    SMART GRID

    J. BOALEscuela Tcnica Superior de Ingeniera (ICAI) Universidad Pontificia Comillas

    Asignatura: Comunicaciones Industriales Avanzadas. Curso 2009-2010

    RESUMEN

    Tras ms de un siglo de vida, el sistema elctrico se encuentra al borde del colapso. O se

    somete a un profundo proceso de rediseo, o los apagones sern cada vez ms frecuentes y las

    prdidas econmicas cada vez ms cuantiosas. El proyecto Smart grid surge con el objetivo

    de mejorar la eficiencia y la fiabilidad de la red elctrica, adaptndola a las necesidades de

    la era digital.

    Este documento presenta los retos a los que se enfrenta el sistema elctrico como la

    disminucin de emisiones, la reduccin de costes o la integracin satisfactoria de los

    vehculos elctricos, y el papel que estn llamadas a desempear las comunicaciones.

    En primer lugar, se har una breve introduccin de la situacin actual, para pasar

    inmediatamente a definir qu es una Smart grid y qu se espera de ella. Acto seguido,

    se presentarn los dispositivos de control y medida que se van a instalar, lo que posibilitar

    definir cul es la nueva arquitectura de la red elctrica que se espera lograr, as como la

    arquitectura de comunicaciones necesaria para hacerla viable.

    Finalmente, dado que an no existe consenso acerca de qu tecnologas son las ms

    apropiadas, se har un anlisis comparativo de los diferentes sistemas de comunicacin

    propuestos hasta el momento y se identificarn las mejores alternativas en funcin de las

    necesidades concretas de cada punto de la red.

    1. Introduccin

    La red elctrica es posiblemente el sistema interconectado ms extenso del planeta. Durante msde un siglo ha estado ntimamente ligada al desarrollo tecnolgico y ha cumplido con su cometido a laperfeccin. Ha permitido entregar la energa producida, instantnea y permanentemente, con unos costesreducidos y una robustez y fiabilidad encomiables. Por poner un ejemplo, de acuerdo con[1] el sistemaelctrico estadounidense es fiable al 99,97%, a pesar de lo cual las interrupciones de suministro suponenun coste anual de $150 mil millones, unos $500 por habitante.

    Desafortunadamente, esta alta fiabilidad ha convertido al sistema elctrico en el gran olvidado del

    siglo XX y, por ello, la red se encuentra actualmente al lmite de su capacidad. Hasta ahora, la nicapreocupacin consista en mantener las luces encendidas expandiendo la red lo mnimo imprescindiblepero, en los ltimos aos, las restricciones se han ido agravando por el incremento de la demanda deelectricidad debido al crecimiento demogrfico y a la adquisicin masiva de productos de consumoelctricos y electrnicos como televisiones, ordenadores y aparatos de aire acondicionado y los fallos sehan multiplicado. As, en los EE.UU. se han producido cinco apagones masivos en los ltimos 40 aos,tres de los cuales han ocurrido en los ltimos nueve, fundamentalmente por la lentitud de respuesta delos interruptores mecnicos, y la baja visibilidad, es decir, la ausencia de informacin fidedigna acercade lo que ocurre en la red aguas abajo [1]. Es ms, en muchos casos, es el usuario el que informa a lacompaa de que se ha producido una avera.

    Las implicaciones de estos cortes de suministro son mucho ms importantes que simplemente tenerque esperar a que vuelva la luz. La detencin de la produccin de fbricas, el deterioro de alimentosperecederos o la interrupcin de las operaciones en bolsa y con tarjeta de crdito provocan prdidas

    Jaime Boal Martn-Larrauri

    24 de mayo de 2010

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    Comunicaciones Industriales Avanzadas Smart grid

    millonarias. La Tabla 1 refleja las prdidas medias en diversos sectores productivos por cada hora de cortedel suministro elctrico.

    Sector Importe ($)

    Comunicaciones mviles 41.000

    Venta telefnica de entradas 72.000Reserva de billetes de avin 90.000Manufactura de semiconductores 2.000.000Operaciones con tarjeta de crdito 2.580.000Transacciones burstiles 6.480.000

    Tabla 1.Coste medio por hora de interrupcin del suministro elctrico en algunos sectores [ 1]

    Por todo lo expuesto hasta el momento, y por la creciente preocupacin por el cambio climtico,resulta imprescindible una revisin exhaustiva del modelo de la red de energa elctrica. En el momentoen que fue diseada, el precio de la energa era exiguo y las prdidas debidas a la ineficiencia de la red no

    suponan un problema a tener en cuenta. Sin embargo, la situacin ha cambiado radicalmente. El preciode los combustibles fsiles, con lo que principalmente se alimenta el sistema, ha subido inexorablementey las prdidas de la red se han vuelto significativas. Cada kilovatio que se pierde requiere quemar mscarbn y petrleo, lo que repercute en el precio que paga el consumidor final y aumenta las emisiones degases de efecto invernadero. Un dato que resulta muy significativo es que en un pas desarrollado comolos Estados Unidos, el 40 % de las emisiones de dixido de carbono provienen de la generacin elctrica,mientras que nicamente un 20 % son debidas al transporte [1].

    Si una red como la estadounidense fuese slo un 5 % ms eficiente, como se puede ver en la Figura 1,la reduccin de emisiones sera equivalente a eliminar 21,6 millones de vehculos o a plantar 13,1 hectreasde arbolado. Para conseguir este objetivo es necesaria la contribucin de todos, tanto de las compaaselctricas como de los usuarios. Los primeros deben dar pasos para reemplazar una produccin basadaen el carbono por energas renovables, mientras que los segundos deben implicarse en la solucin atravs de medidas de ahorro energtico, para lo cual deben proporcionrseles los medios y la informacinapropiados.

    Figura 1.Reduccin de emisiones de CO2en EE.UU. si la red elctrica fuese un 5 % ms eficiente[9]

    2 Jaime Boal Martn-Larrauri24 de mayo de 2010

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    Comunicaciones Industriales Avanzadas Smart grid

    Es en este contexto donde surge el concepto de Smart grid. La industria elctrica est decidida atransformar la red centralizada actual en la que el fallo de una central de base (una nuclear, por ejemplo)podra producir una reaccin en cadena que sobrecargase todo el sistema , donde los puntos de generacinestn muy alejados de los centros de demanda y no hay comunicacin extremo a extremo, en una msdispersa e interactiva con el cliente. Para ello se ha tomado como inspiracin el modelo de Internet, donde

    el control y la toma de decisiones estn distribuidos a travs de nodos dispersos a lo largo del sistema, y lainformacin circula de forma bidireccional [1,2].

    Es importante destacar que no existe unadefinicinnica y ampliamente aceptada de lo que es unaSmart gridni de las tecnologas que la integran, porque an queda mucho trabajo por hacer. Algunasdefiniciones de diversas fuentes son:

    Sistema elctrico capaz de suministrar energa a millones de clientes, dotado de una infraestructurade comunicaciones inteligente que permite establecer puntualmente el flujo de informacinadaptable y seguro necesario para abastecer una economa digital en constante evolucin [7].

    LaSmart grides, esencialmente, un Internet de la energa que distribuye informacin de la redelctrica en tiempo real para potenciar elecciones energticas ms inteligentes [8].

    Red de transmisin y distribucin avanzada que emplea informacin digital y tecnologas de controlpara mejorar la fiabilidad, la seguridad y la eficiencia [11].

    Hardwarey softwareincorporados al sistema elctrico para conseguir una reaccin ms autnomaante eventos que puedan afectar a la red y una eficiencia operativa diaria del suministro [12].

    UnaSmart griddistribuye electricidad desde los suministradores a los consumidores por medio deuna tecnologa digital bidireccional que permite controlar los electrodomsticos en los hogares yahorrar energa, reducir costes e incrementar la fiabilidad y la transparencia[13].

    Obsrvese que en [7,11,12] se concibe el trmino Smart gridliteralmente, como una red fsica queopera y se comunica ms eficaz y eficientemente, mientras que en [8,13] el alcance es integral, abarcadesde la generacin, pasando por la transmisin y la distribucin, hasta el consumidor final que eligecmo y cuando consumir de forma ms responsable.

    2. Objetivos

    En vista de las definiciones presentadas anteriormente, parece que existe consenso al respecto de culesobjetivo principalde laSmart grid:

    El proyectoSmart gridaspira a desarrollar una red elctrica mseficienteyfiable, que mejore la

    seguridad y calidad del suministro de acuerdo a los requisitos de la era digital.

    Este objetivo primordial se complementa con una serie deobjetivos secundarioscomo son [1,2]:

    Combatir el cambio climtico sustituyendo los combustibles fsiles por energas renovables eintegrarlas satisfactoriamente en la red.

    Desarrollar lo que los anglosajones denominan islanding, es decir, la capacidad de una zona defuncionar, en caso de avera, aislada de la red principal (modo isla), para satisfacer las necesidadesbsicas de los habitantes.

    Incrementar el control y la visibilidad en todos los tramos de la red para prever mejor la demanda y

    corregir las deficiencias que puedan surgir en el menor tiempo posible.

    Convertir a los usuarios en participantes activos, permitindoles planificar su consumo.

    Jaime Boal Martn-Larrauri

    24 de mayo de 2010

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    Comunicaciones Industriales Avanzadas Smart grid

    Reducir costes evitando la construccin de nuevas infraestructuras.

    Preparar la red para la implantacin a gran escala de tecnologas de futuro como los vehculoselctricos (PHEVs -Plug-in Hybrid Electric Vehicles).