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| Idea de Red
Eléctrica Inteligente popular: Monstruo
generador de datos English |
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La Motivación |
Diseño de Arriba hacia Abajo |
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El
publico y los gobiernos
están exigiendo una estructura de Red Eléctrica
Inteligente que integre
energías renovables sea desarrollada. Sus objetivos son la
reducción de
emisiones de carbono hacia la atmósfera, la reducción de
la dependencia del
petróleo (ambos nacional y extranjero),
la reducción de nuestro uso de energía y el aumento de
seguridad
energética para la población. Los tomadores de decisiones
no tienen una idea
real de lo que están pretendiendo de las compañías
de red eléctrica. EPRI (por
su nombre en ingles, Energy Power Research Institute) Instituto de
Investigacion en Energia Electrica estima un costo de 165 billones de
dólares y
un plazo de 20 años para instalar la Red Eléctrica
Inteligente. El
plan actual para la Red Eléctrica Inteligente no contempla
la
seguridad de energía autónoma para las casas u oficinas. |
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| El dilema de las Compañías de Red Eléctrica | ||
| Una
vivienda común usa un promedio de 1.7 kW Tiene 100 amperios de servicio lo que equivale a 24 kW ¿Entonces, estamos diseñando, un sistema para casas de 1.7 kW o para una de 24 kW? Un vecindario de 100 casas necesita un promedio de 170kW. Tiene un pico posible de 2.4 MW. La carga común varía entre 100 kW y 270 kW. Imagine un mundo adonde las viviendas utilicen 1.7 kW estables. Imagine un mundo adonde la energía renovable fuera integrada en cada casa con una carga a la red de 1.2 kW estables. Esta es realmente la RED ELECTRICA INTELIGENTE. Hay una necesidad creciente de energía autónoma segura. |
La electricidad es mayoritariamente
cobrada por kWh. Sin embargo, el costo de proveer esta energía
se basa en
muchas cosas, incluyendo las pesadas fluctuaciones del sistema. En
otras
palabras, las compañías de red eléctrica operan un
negocio en el que no cobran
a sus clientes de acuerdo a sus costos y, de alguna forma, lo pudieran
manejar
así durante años. Ahora, el público, los gobiernos
y algunos científicos les
dicen que necesitan incentivar a sus clientes para que consuman menos
energía.
Esto significa que les digan que introduzcan programas de marketing que
reduzcan sus ventas. Además les dicen que promuevan el uso de
iluminación fluorescente
compacta lo que reduce sus ventas por iluminación en un factor
de 6 a 1.
Encima, las luces fluorescentes compactas tienen un factor de potencia
de 0.5
lo que significa el doble del costo por kW para proveer a la
infraestructura de
electricidad para ese tipo de iluminación. Sumando a un costo
aumentado de la
infraestructura, este factor de potencia reducido de la
iluminación
fluorescente compacta (CFL) resulta en un aumento de las perdidas de
transmisión que la red tiene que enfrentar por su cuenta.
Normalmente, la
totalidad de pérdidas de transmisión de la red es de un
13% lo que significa,
en el caso de un factor de potencia de 0.5 de un CFL, que tiene que
quemar un
13% más de carbón (a su cargo) solo por el factor de
potencia. Las computadoras
tienen en general un factor de potencia entre 0.6 y 0.7 lo que
significa que
hay que quemar un 6% a 9% más carbón. Entonces, les
están pidiendo que integren
las energías renovables, como solar y eólica, mientras
doblan la carga
financiera y controlan la compra y venta de energías renovables.
Como la
generación de energía solar y eólica varía
con el clima y la hora del día,
mientras estas se van tornando mas significantes, la red tiene que
absorber el costo
de manejar estas fluctuaciones crecientes, lo que generalmente
significa implementar
mas plantas de pico (Plantas de pico son esencialmente motores de jet
con
generadores eléctricos acoplados, usualmente de 50 MW). Las
Plantas de Pico son
la forma más costosa de generar energía, queman
hidrocarburos, contaminan y van
en la dirección opuesta a la motivación original de las
energías renovables. En
adición, como primer paso hacia la implementación de la
Red Eléctrica Inteligente
las compañías son notivadas a instalar medidores
inteligentes en cada casa u
oficina. Así, como se le pide a la Red que baje sus ventas y
aumente sus
costos, eventualmente algunos de estos costos serán pasados al
cliente. Lo que
el cliente ve es que con el medidor inteligente su cuenta de
electricidad
aumenta y comienza a desarrollar un prejuicio hacia la
compañía de red
eléctrica. La compañía necesita un nuevo plan de negocio en el que pueda bajar sus ventas gradualmente y reducir los costos lo suficiente para aumentar sus lucros. |
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La Verdadera
Red Eléctrica Inteligente (Una Vivienda a la Vez)
Información
Local – Decisiones Locales :::: Resúmenes
Globales – Normas
Globales
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La casa típica tiene módulos de 4 kW que abastecen 4 kW de cargas críticas, como sean las luces, refrigeradoras, equipos electrónicos y cargas de UPS como las computadoras. Estos módulos de potencia (PM) también están conectados a un arreglo de paneles solares, a un banco de baterías y a la red AC (Corriente Alterna). El T13X es un controlador de carga inteligente que se conecta a 6 de las cargas mayores como sean el aire acondicionado, calentador de agua, la bomba de agua o un cargador de vehículo eléctrico. El T13X también monitorea la totalidad de conexiones a la red. El hecho de que la casa tiene un promedio de 1.7 kW muestra que realmente no se necesita hacer funcionar todas las cargas mayores al mismo tiempo. El T13X hace la gestión de cuales de las cargas mayores están en funcionamiento y asegura de que la corriente de red no exceda los 50 amperios. Esto permitiría reducir el servicio de red a la casa de 100 a 50 amperios lo que haría reducir el costo de la infraestructura eléctrica a la mitad. |
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Hay un panel de
control que da la información de
todos los componentes, se comunica con las computadoras de la casa y se
conecta
con la red y otras casas en el vecindario para un manejo de
energía coordinada.
Existe un análisis por medio de osciloscopio de los niveles de
la red, de las
seis cargas mayores, de los 4 kW de cargas críticas, los paneles
solares y del
banco de baterías. La idea es por medios
digitales coordinar todo lo que se encuentra conectado al sistema para
un máximo
beneficio de los dueños, la comunidad y la red.
Cuando la Red falla, la casa puede usar 4 kW de cargas críticas
de los 6
kW del banco de baterias combinado con cualquier energía solar
disponible. Esto
podría hacer funcionar las cargas críticas durante todo
el día y hacer
funcionar las cargas esenciales con la generación solar diaria
indefinidamente.
Esta capacidad autónoma es el elemento clave para la seguridad
energética.
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Típico
sistema de Hogar u Oficina (Una casa a la vez) |
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El Impacto del Proyecto de 100 Casas |
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Costo
total del sistema $1,158,000. Materia
prima $776.000. (todos los
componentes hechos
en Norteamérica) Instalación
Local $ 352.000.
Creación de puestos de trabajo y estimulo a la
economía local. Reducción
de consumo de energía en un 20% ahorrando mas de 23 MWH / mes. El
controlador de carga inteligente aprovecha
las horas del día en que la casa se encuentra desocupada y
reduce las cargas
mayores a través de esquemas y horarios programados por el
consumidor final. Produce
27.6
MWH de energía solar / mes (para el
estado de Colorado) reduciendo el consumo de red en
50.6 MWH / mes. La
energía solar puede expandirse hasta los 60 MWH / mes. Esta
se puede aumentar en cualquier momento a la opción del cliente.
La idea es involucrar
al cliente y mostrarle la realidad diaria de su situación
energética lo cual
fomenta su participacion, lo que abre un camino fácil hacia la
expansión. Asistencia
automática a Picos en la red de 400 kW. Cuando los motores
inductivos arrancan necesitan una carga de corriente bastante superior
a
la normal. Ocasionalmente, muchos de
estos motores arrancan al mismo tiempo y esto requiere que la red tenga
una
capacidad de reserva sustancial para enfrentar estas sobrecargas. Sino
poseen
suficiente reserva de potencia activa, en línea, en el momento
de la
sobrecarga, entonces el voltaje de red
se reduce causando que los motores inductivos tomen aun más
corriente y la red
termine colapsando. Los módulos de potencia (PM) Transverter
automáticamente
proveen potencia para la sobrecarga desde el banco de baterías.
El proceso
total de sobrecarga generalmente solo dura unos pocos segundos y por
ende tiene
un efecto ínfimo en la energía acumulada en las
baterías o en la vida de la
batería. |
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Servicio 100
amp → Servicio 50 amp. El
controlador de cargas automático combinado
con el asistente de sobrecargas automático garantiza que la
corriente de red
nunca exceda los 50 amps. Este permite una reducción de la
totalidad del
servicio eléctrico a la casa incluyendo todo el cableado y el
transformador.
Esto, por si mismo, no reduce la cantidad promedio de potencia que la
red esta
proveyendo a un área pero reduce absolutamente el costo de la
infraestructura
local (el transformador y cableado que
conectan la casa a la red) a la mitad. También protege a la red
en caso de una
coincidencia indeseada en la que todas las casas demanden la carga de
100 amp
al mismo tiempo. Capacidad
de Almacenamiento de Energía Comunitaria.
La capacidad de baterías total para el proyecto de 100 viviendas
es de 600 kWh,
la cual es significativa. Al imponer reglas que equilibren las
necesidades
individuales con las necesidades de la red, esta capacidad puede ser
utilizada para
reducir las fluctuaciones que la red debe afrontar. Esto reduce el uso
de
plantas de pico y (con sistemas suficientes) podría eliminar su
necesidad
totalmente. Seguridad
individual de la energía del hogar. Cada hogar
puede operar autónomamente cuando hay una falla en la red.
Los 6kWh de baterías combinados con la energía solar
alimentarán las cargas críticas
de un día típico y podrían alimentar cargas
esenciales como refrigeración,
iluminación, comunicaciones, etc. indefinidamente. El impacto
social de la
mayoría de las casas y pequeñas oficinas que cuenten con
esta capacidad en un
desastre como Katrina sería enorme Información
en tiempo real y registro de datos. El panel de
control brinda al usuario toda la información de energía
mas
importante para que este siempre sepa el
balance real entre su uso de energía y las capacidades del
sistema. Esto se
conecta a sus computadoras para un control y análisis grafico
mas profundo y se
puede comunicar con otras casas en el vecindario y con la red para
coordinar
decisiones y prioridades energéticas.. El
registro automatico de datos (Datalogger) documenta la
efectividad y
el retorno de la inversión en cada caso individual y, cuando son
combinados,
del proyecto total. Se convierte
todo el proyecto en un laboratorio. Cada circuito
de cada casa crea modelos matemáticos detallados de todo
lo que hay en el sistema y los puede comunicar ya sea en tiempo real o
como resúmenes
para el laboratorio de investigación y desarrollo de cualquiera
que diseñe
baterías, paneles solares, sistemas de red eléctrica
inteligentes o cualquiera
en el sector de la energía eléctrica. Este será un
enorme estimulo gratuito
para desarrollar nuevas soluciones energéticas. Quién
paga todo esto? Existe
un sistema de financiación, PACE , que ya se encuentra
activo en
varios estados de
USA donde se hacen prestamos a sistemas que reduzcan la energía
utilizada de la
red por más del 20%. Estos se suman al valor de la vivienda y se
devuelven a
través de mayores impuestos a la propiedad. De esta manera no se
compromete la capacidad crediticia del
individuo y automáticamente se transfiere la deuda a la vivienda
cuando ésta es
vendida. Debido a que este sistema le ofrece tanto valor a la red, al
individuo
y a la comunidad, pueden surgir esquemas financieros creativos donde
las tres
entidades compartan el costo. |
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Este es un
grafico NREL hecho para demostrar el uso de potencia en un sector de la
red
durante un día. La línea roja es el pronóstico de
energía eólica basado en el
comportamiento del día anterior. La linea negra es la potencia
eólica real que
fue generada. Xcel Energy (un proveedor de red importante en el Centro
Oeste de
USA) ha hecho un levantamiento de todas las formas que les provocaron
mayores
costos, tanto cuando el viento genera mas de los esperado, como cuando
genera
menos. Cabe destacar que cuando genera menos ellos registran mayores
costos en
plantas de pico. Las flechas
azules sirven para reducir esta información a la escala de una
vivienda. Se
puede observar que el pico mayor de excedente de potencia eólica
es de apenas
323 watts. Siendo que los módulos de potencia del
Transverter
cargan automáticamente a las baterías cuando
existe un excedente de energía eólica y las descargan
cuando el viento es menos
de lo esperado, se necesitaría solamente menos de ½ kWh
para neutralizar
totalmente las fluctuaciones del viento y
anular completamente todos los costos extra de Xcel Energy. |
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Este proceso
usa apenas un 8% de la capacidad de la batería a un ritmo
inferior a C/19 lo
que es totalmente factible para baterías de plomo ácido
con celdas de gel
pudiendo esperarse un tiempo de vida muy largo para la batería. También se
verifica que las horas pico son muy probablemente cuando la
vivienda se encuentra desocupada
mientras las personas están trabajando. Es justamente
aquí que el controlador
de cargas inteligente puede tener su mayor impacto. Se destaca que
entre las 7:00pm
y las 07:00am no existe una gran demanda de potencia lo que
podría ser el
tiempo ideal para cargar vehículos eléctricos. |
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Almacenaje
de Energía Comunitaria (Una Vivienda a la Vez) |
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Esta
imagen muestra baterías de Lithium ion que usan celdas
idénticas a las que se
están desarrollando para los vehículos eléctricos.
Tienen componentes
electrónicos especiales incrustados para realzar sus
prestaciones y integridad
y se ha demostrado que tienen una vida útil que sobrepasa los
10,000 ciclos.
Están disponibles actualmente a un costo aproximado de $1,000
USD por kWh pero,
con la evolución del mercado de los vehículos
eléctricos, su precio deberá bajar
a los $500 USD por kWh o menos. En la
actualidad las baterías de alta calidad de plomo ácido
con celdas de gel tienen
un costo aproximado de $250 USD por kWh. |
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Como
punto de referencia, el vehículo híbrido Chevy Volt viene
equipado con baterías
Li-ion de 16 kWh. Esta imagen es de una instalación de
almacenamiento comunitario
en San Francisco hecha por Growing Energy Labs.
Los módulos de potencia del
Transverter se basan en los modelos matemáticos de las
baterías y se pueden
adaptar automáticamente a cualquier química de
baterías disponible actualmente
o a cualquier tipo de batería que venga a ser desarrollada en el
futuro. |
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Balanceado
Cargas con Energía Solar (Una Casa a la Vez)
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Esta
es la misma carga diaria del anterior gráfico NREL a la escala
de una vivienda.
Hemos calculado el tamaño óptimo del arreglo solar para
equilibrar el uso de
este patrón (en este caso 1.84 kW de energía solar lo que
representa 8 paneles
de 230 watts). Podemos observar la diferencia entre la energía
que se usa en la
vivienda y la que produce el dispositivo solar en la línea
verde. Si cargamos
las baterías cuando la línea verde baja del promedio y
las descargamos cuando
la línea verde sube del promedio el efecto en la red es la linea
recta del
promedio. Además de alivianar el peso del uso de las plantas de
pico para
lidiar con las cargas pico esto tiene un efecto significativo en las
perdidas
de transmisión de la red que es normalmente de un 13%. Con solo
añadir este
dispositivo solar (sin el balance de las baterías) se remueve el
11% de las pérdidas
de transmisión y la energía solar combinada con el
balance de las baterías
reduce las pérdidas de transmisión en un 57%. Esto requiere
ciclos de carga-descarga diarios de
3.9 kWh lo que es realmente imposible esperar de baterías de
plomo ácido pero
es totalmente razonable para las baterías Li-ion. Esto
sumaría $4,500 USD al
costo del sistema a los precios del mercado actual pero ese costo
deberá bajar
a los $2,000 en un futuro próximo. |
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Carga-Descarga Diaria
3.9 kWh = 65% de una batería de 6 kWh. Con esto se
alcanza el sueño de la vivienda ideal
con el promedio de potencia constante tomado de la red sin
fluctuaciones. Todo
esto sin vender energía a la red y sin tener ningún
equipo afuera de la
vivienda. |
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Este es un grafico similar para todo el estado de
California del día 08 de Julio del 2009. Fue puesto a la escala
de una
vivienda. El dispositivo solar óptimo para balancear este perfil
de carga
resulta ser 920 watts que es exactamente
50% del sistema de una
vivienda
descrito anteriormente. Apenas por añadir este dispositivo solar
(sin el
balance de las baterías) se baja en un 6% las perdidas de
transmisión y el
dispositivo solar combinado con el balance de las baterías
reduce las perdidas
de transmisión de la red en un 31%. Una vez más los ciclos de descarga son similares lo que implica el uso de baterías Li-ion. No existen otras propuestas de
proyectos que se
acerquen en lo más mínimo a este nivel de impacto en el
costo de la proveeduría
de energía eléctrica para viviendas y oficinas. Todo esto
se realiza con una
comunicación mínima a la red, sin facturación
especial o necesidad de permisos
y sin ningún equipo instalado afuera de la vivienda u oficina.
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Carga-Descarga Diaria
3.7 kWh = 62% de una batería de 6 kWh. |
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Podemos
implementar
muchos de estos proyectos de prueba de 100 viviendas inmediatamente.
Cada
proyecto obtendrá:
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Lo
que proponemos es la verdadera red eléctrica
inteligente, casa por casa, proveyendo nodos
inteligentes autónomos, de implementación actual,
Energía Renovable
integrada, respuesta a la demanda, adquisición de
información, medición
avanzada, comunicación de punta a punta, control de calidad
energética,
seguridad energética, almacenamiento de energía
comunitaria, un sistema vivo,
evolucionando y agregando aplicaciones en el tiempo. No hay nada que
haya sido
propuesto que se acerque a estos beneficios, considerando especialmente
que
esto puede implementarse inmediatamente a un costo mínimo que
puede ser
financiado fácilmente.
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