Las redes eléctricas se están descentralizando debido al aumento de instalaciones eléctricas renovables de menor tamaño (fuente: Artinun/stock.adobe.com).
Autor: Mark Patrick, director de contenido técnico, EMEA, Mouser Electronics
La generación de electricidad a partir de fuentes renovables está contribuyendo a que tanto hogares como empresas logren llegar a la independencia energética, pero también está transformando las redes eléctricas y, con ello, creando nuevos problemas de diseño.
En las últimas tres décadas, el auge de las fuentes de energía renovables, como los paneles solares fotovoltaicos o los aerogeneradores, y la aparición de tecnologías inteligentes para las redes eléctricas han transformado la interacción de hogares y empresas con las redes energéticas: ahora, no solo consumen electricidad, sino que también la generan.
Esta descentralización en la generación de energía es un cambio importante que está transformando el funcionamiento de las redes de suministro y la relación entre los suministradores y los hogares y empresas. Aunque esta transición ya es una realidad, la Agencia Internacional de la Energía (AIE) estima que, para 2030, más de cien millones de hogares tendrán paneles solares fotovoltaicos, una cifra muy superior a los 25 millones de la actualidad.
Por lo tanto, estamos solo ante el principio de la descentralización del suministro eléctrico, lo que presenta nuevos retos y oportunidades para los ingenieros electrónicos. En este artículo, hablaremos del cambio en las redes eléctricas nacionales, analizaremos las implicaciones sociales y técnicas y veremos cuáles son los componentes básicos disponibles en Mouser Electronics que pueden ser de ayuda para enfrentarse a estos cambios.
Por qué ha cambiado la red eléctrica
La descentralización cada vez más pronunciada de las redes de suministro se debe a distintos factores que, en su mayoría, están relacionados con las limitaciones del modelo centralizado y las ventajas del modelo opuesto.
Algo que ha contribuido en gran medida a la descentralización de la energía es la aparición de fuentes renovables más pequeñas. Antes del crecimiento en la popularidad de los paneles solares y los pequeños aerogeneradores, para lograr la independencia energética era necesario disponer de algún tipo de generador eléctrico de gas o carbón o de una hidroturbina, pero ambas opciones precisaban de muchos recursos físicos y generaban implicaciones sociales, técnicas y de seguridad relativamente complejas.
Otro factor importante que ha contribuido a la popularidad de la producción eléctrica distribuida es que la demanda es cada vez mayor. Satisfacer este crecimiento con las grandes plantas eléctricas centralizadas supone una inversión enorme de recursos, planificación y tiempo; por ejemplo, para construir y poner en marcha una central nuclear, es necesario un plazo de entre seis y ocho años.
Los recursos energéticos distribuidos o descentralizados (DER), sin embargo, se pueden implantar mucho más rápido: un parque solar de gran tamaño puede ponerse en marcha e incorporarse a la red en un plazo de entre uno y tres años, mientras que las instalaciones solares domésticas o industriales de menor tamaño (imagen 1) suelen tardar entre seis y dieciocho semanas.
Imagen 1: las pequeñas instalaciones solares comerciales, como la que se muestra aquí, se pueden instalar en solo unos días (fuente: anatoliy_gleb/stock.adobe.com).
En muchos casos, satisfacer la demanda energética con muchos puntos de generación pequeños es un método más sencillo y rentable que hacerlo con un solo punto centralizado.
La reducción de los costes y la optimización del rendimiento de las tecnologías renovables, junto con el aumento del precio de la electricidad, también han contribuido a que la energía solar y eólica se haya convertido en una opción accesible. Los avances en la administración y el almacenamiento de la electricidad están también jugando un papel importante en la viabilidad de la energía renovable distribuida.
El aumento de la energía distribuida
El aumento en la demanda de energía distribuida es consecuencia de una serie de avances y tendencias globales en el ámbito de la energía renovable, la electrónica de potencia y los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS). La innovación en la electrónica ha generado nuevas oportunidades para los DER, ya que ha aumentado la seguridad, la inteligencia y la eficiencia de los sistemas y ha reducido los costes y el nivel de encapsulado.
El desarrollo de los aerogeneradores y los paneles solares fotovoltaicos
A principios del siglo XXI, los paneles solares domésticos y comerciales solían tener una eficiencia del 15 %. Desde entonces, los avances en el diseño de las células fotovoltaicas y algunos cambios importantes en la composición de los materiales han contribuido a aumentar este valor hasta el 20 % actual.
Oxford PV, una empresa derivada de la Universidad de Oxford, acaba de lograr una eficiencia del 28,6 % con una célula solar en tándem de perovskita y silicio, un nuevo récord mundial y un enorme avance que demuestra que es posible lograr niveles aún mayores. Los aumentos en la eficiencia de los paneles pueden contribuir a la adopción de DER porque reducen la superficie necesaria para que haya una instalación solar viable, siempre y cuando el coste de los paneles sea similar.
Los aerogeneradores también han experimentado una evolución importante gracias a la aparición de turbinas sin palas (imagen 2), lo que permite superar obstáculos que se presentaban regularmente. Al no contar con las tradicionales palas giratorias, es mucho más fácil y seguro integrar estos elementos en edificios; además, esto reduce los costes de mantenimiento y minimiza el impacto de pájaros. Gracias a estas ventajas, es muy posible que se instalen aerogeneradores en nuevas ubicaciones, como en lugares cercanos a paneles solares o en emplazamientos residenciales más pequeños, donde las limitaciones normativas suelen prohibir el uso de turbinas giratorias.
Imagen 2: la energía eólica sin palas utiliza las oscilaciones del viento junto con alternadores para generar electricidad (fuente: VectorMine/stock.adobe.com).
La planta de BMW Mini en Oxford acaba de incorporar el primer sistema energético estacionario de Aeromine Technologies como complemento a sus instalaciones solares. Gracias a la manipulación del flujo de aire a través del perfil aerodinámico, la turbina genera una zona de baja presión detrás de la unidad que dirige el aire a través de un propulsor interno, convirtiendo así la energía en electricidad.
Vortex Bladeless, una empresa emergente española, está desarrollando un sistema sin turbina para la generación eólica de electricidad. El sistema utiliza el principio del desprendimiento de vórtices —la creación de vórtices en espiral como consecuencia del viento alrededor de un cilindro— para inducir la oscilación, que luego se convierte en electricidad mediante un alternador electromagnético interno.
Avances en la tecnología de inversión
El desarrollo de la electrónica de potencia, sobre todo la adopción de los semiconductores de carburo de silicio (SiC), está contribuyendo a mejorar la eficiencia de la inversión, lo que reduce las pérdidas de energía y los requisitos de gestión térmica. En comparación con los dispositivos de silicio tradicionales, los semiconductores banda prohibida ancha de SiC sufren menos pérdidas por conmutación, y ofrecen un mayor nivel de conductividad térmica y densidad de potencia.
Mientras que los inversores de silicio más modernos pueden lograr un 98 % de eficiencia, los de SiC llegan al 99 % en una amplia gama de potencias, lo que supone una reducción del 50 % en pérdidas de energía. Un 1 % teórico de ganancia en el total de capacidad solar de la Unión Europea (259,99 GW) supondría un aumento de 2,6 GW de la producción total, lo que equivale a 6,5 millones de paneles solares de 400 W.
La mejora en el rendimiento térmico de los dispositivos de SiC reduce la necesidad de refrigeración, así que los fabricantes son capaces de diseñar inversores más pequeños, ligeros y fiables. Esta reducción de tamaño permite poner en marcha instalaciones de DER en espacios residenciales y comerciales donde el espacio está más limitado. Estas características, junto con la reducción de los costes de fabricación de SiC gracias al aumento de la producción, están abriendo la puerta a la fabricación de inversores solares más pequeños y eficientes, lo que podría generar una nueva ola de adopción solar.
La evolución de los BESS
En el contexto de los BESS, el cambio al fosfato de hierro de litio (LFP) ha mejorado la estabilidad térmica y la vida útil de los dispositivos en comparación con las baterías tradicionales de iones de litio. Además, los nuevos diseños modulares, como el montaje de las baterías en bastidores o «racks», aporta rentabilidad y capacidad de adaptación a las instalaciones, ya que ofrecen la opción de que los usuarios comerciales o residenciales optimicen la capacidad de acuerdo con sus requisitos energéticos.
Los sistemas de gestión de baterías (BMS) también han empezado a incorporar inteligencia artificial y aprendizaje automático, mejorando aún más la fiabilidad y eficiencia de los BESS. Las funciones de IA son capaces de pronosticar mejor la degradación de la batería, optimizar los ciclos de carga en función de condiciones ambientales y administrar dinámicamente el flujo energético a fin de optimizar el rendimiento y la vida útil de la batería.
La innovación de componentes electrónicos para mejorar los DER
Para gestionar con eficacia los DER, es necesario disponer de una conexión fiable con la que transmitir datos esenciales, como el estado de carga de la batería, la producción de energía renovable y el consumo de energía local. Estos datos mejoran la administración de los recursos energéticos renovables para entidades comerciales y residenciales; además, gracias a los inversores y los contadores inteligentes, se integran con facilidad en las redes eléctricas nacionales, mejorando así la administración de la red para operadores y proveedores energéticos.
Los fabricantes onsemi y Würth Elektronik han diseñado en conjunto una gama de soluciones para inversores solares dirigidas a controlar tanto la conversión de energía como la comunicación en instalaciones renovables de microinversores e inversores «string», un mercado global en auge.
Comunicación fluida en instalaciones solares
El transceptor de Ethernet industrial NCN26010 de onsemi (imagen 3) es un dispositivo de 10 Mbps que cumple con la normativa IEEE 802.3cg y que incluye un controlador de acceso a medios (MAC), una subcapa de conciliación (RS) para la prevención de colisiones en la capa física (PLCA) y una capa física (PHY)10BASE-T1S. Proporciona las funciones necesarias para transmitir y recibir datos mediante cables de Ethernet de un solo par (SPE).
Imagen 3: el NCN26010 de onsemi dispone de capa física y control de acceso a medios para el estándar T1S, y puede sustituir los estándares RS-485, CAN, RS-232 y HART (fuente: Mouser Electronics).
El modo mejorado de inmunidad al ruido del dispositivo (ENI) es esencial para los DER, ya que son sensibles a las interferencias electromagnéticas (IEM). El rendimiento del NCN26010 sobrepasa los requisitos de la normativa IEEE T1S, y puede superar pruebas muy exigentes de inmunidad por inyección de corriente en bloque (BCI) e inyección directa de potencia (DPI). Cuando el modo ENI está activado, el alcance de la red del transceptor es casi el doble que el de la competencia y puede gestionar hasta 40 nodos en un segmento de 25 mm. Gracias a la compatibilidad con la interfaz MACPHY SPI de Open Alliance, el NCN26010 se puede integrar con una amplia gama de microcontroladores, lo que acelera el desarrollo del sistema.
En los DER, las redes con el NCN26010 y cables SPE no solo mejoran la fiabilidad de la red en comparación con las alternativas inalámbricas, sino que también reducen los costes por cables, conectores e instalación si los comparamos con otros estándares de cableado, como el Ethernet de ocho cables. Todo esto contribuye a diseñar DER más inteligentes y fiables.
Los transformadores WE-RJ45 USB 3.0 LAN de Würth Elektronik (imagen 4) son un fantástico complemento para los transceptores SPE de onsemi y disponen de conexiones RJ45 y USB 3.0 y protección integrada contra sobretensiones, así que no es necesario añadir elementos adicionales para proteger los circuitos.
Imagen 4: el WE-RJ45 tiene un puerto RJ45 y dos puertos USB 3.0 (fuente: Mouser Electronics).
El conector RJ45 cuenta con un transformador integrado y un cebador de modo común, así que permite la alimentación a través de Ethernet (PoE+) de hasta 50 W y velocidades de hasta 10 Gbps. En los DER, facilita la conexión a sistemas integrados en conjuntos como los módulos de impulsos MPPT, los contadores inteligentes y los inversores, y permite añadir dispositivos PoE auxiliares, como nodos de sensores, para supervisar la velocidad del viento o las temperaturas en los BESS.
Conclusión
Con los DER, empresas y particulares pueden lograr la independencia energética y mejorar su nivel de sostenibilidad. Sin embargo, a medida que las necesidades energéticas crecen y las redes eléctricas nacionales se van haciendo más complejas, el mercado debe ofrecer soluciones fiables y eficientes de energía solar y eólica que se puedan integrar fácilmente en los hogares, las empresas y la red global.
Además de los dispositivos de onsemi y Würth Elektronik, Mouser Electronics ofrece componentes de un gran número de proveedores de electrónica, a fin de ayudar a los ingenieros a diseñar nuevas soluciones DER que aumenten la generación de energía renovable y que se integren con facilidad en las grandes redes eléctricas.
