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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

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.

  La Red Eléctrica Inteligente (Smart Grid) fue creada por personas en posiciones altas y por eso es una estrategia descendiente. Para implementar esta estrategia descendiente la información al nivel local tiene que ser minimizada. Minimizar la información localmente significa que el sistema nunca puede ser muy inteligente al nivel local y por eso tiene que depender de que el centro de control haga decisiones importantes en tiempo real. Decisiones en tiempo real implican el envío de información detallada al centro de control y de vuelta a cada dispositivo. Esta idea depende de una red de comunicaciones de alta velocidad extremadamente complicada que es una combinación de HAN, FAN/AMI, WAN & LAN (las líneas en puntos azules). El software para manejar el procesamiento de esta cantidad de información será complicado y va a introducir nuevos riesgos mayores de seguridad.
    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.

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.

Ver el sistema funcionando (animación flash)

        
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.

Típico sistema de Hogar u Oficina (Una casa a la vez)

Boulder 4 kW UPS, 1,840 w Solar, 276 kWh solar per month QUANTITY COST EXTENDED
  CS6P-230-P 230 Watt Solar Panel              8  $       464  $      3,712
 TRANSVERTER POWER MODULE 2000W               2  $     2,000  $      4,000
 TRANSVERTER REMOTE PANEL               1  $       200  $         200
 TRANSVERTER T13X (Smart Grid in a Box)               1  $       600  $         600
 MK S31-SLD-G 12 V 108AH BATTERIES GEL               6  $       262  $      1,572
Hardware, wires and other B.O.S.      $      1,494


 TOTAL   $    11,578

El Impacto del Proyecto de 100 Casas

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.

Corrección automática del factor de potencia en red de 400 kW. Las cargas electrónicas como las computadoras y  CFL (Iluminación Compacta Fluorescente) no toman corriente de la red en ondas suaves sino más bien en picos abruptos.  Este fenómeno se  mide con un numero llamado “factor de potencia” que resulta ser la cantidad de la infraestructura eléctrica, incluyendo los generadores de energía, que es efectivamente utilizable. La iluminación CFL posee un factor de potencia de 0.5 y las computadoras poseen un factor de potencia de entre 0.6 y 0.7, lo que significa que estos aparatos solo pueden utilizar entre el 50 % y el 70% de la capacidad del sistema eléctrico. Los módulos de potencia del Transverter corrigen localmente este factor de potencia, de forma tal que la red solamente reconozca un factor de potencia de 1(unidad de factor de potencia), y así pueda hacer un uso del 100% de su infraestructura y capacidad de generación. Los módulos de potencia de 4kW en cada casa son más que suficientes para compensar todas las cargas de CFL y computadoras de una casa. Esto tiene un impacto significativo en las perdidas totales por transmisión en la red. En el caso de la iluminación CFL, la compensación del factor de potencia efectuada por el Transverter reduce la carga en la red en un 13%, solamente por reducir las perdidas de transmisión.
       

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.

       

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.

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.

       

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.

Balanceado Cargas con Energía Solar (Una Casa a la Vez) 

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.

       

Carga-Descarga Diaria 3.9 kWh = 65% de una batería de 6 kWh.
Carga a C/10. Descarga a C/5

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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.

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.

       

Carga-Descarga Diaria 3.7 kWh = 62% de una batería de 6 kWh.
Carga a C/14. Descarga a C/9

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Podemos implementar muchos de estos proyectos de prueba de 100 viviendas inmediatamente. Cada proyecto obtendrá:
  • Atraer al propietario de la vivienda mientras reduce sustancialmente su cuenta de electricidad.
  • Reducir el costo real de la red por cada kWh provisto.
  • Reducir el costo de la infraestructura eléctrica.
  • Integrar las energías renovables al menor costo posible con la más alta estabilidad.
  • Proveer las viviendas y oficinas de seguridad energética autónoma.
  • Ofrecer los beneficios de la red eléctrica inteligente a las viviendas y compañías de red eléctrica mientras se minimiza el peso del procesamiento de datos.
  • Crear un ambiente real de prueba para quienes desarrollan software para la Red Eléctrica Inteligente.
  • Crear un laboratorio modelo de energía para cualquier persona interesada.   
       

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.

Para ver mas detalles con sistemas del mundo real abrí Microgrid.

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