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4 agosto, 2013

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Tecnologías de transmisión y distribución, claves para la eficiencia energética (Parte 1)

En el comercio de energía subyace la idea de que el consumidor ha de tener la posibilidad de comprar la energía de la fuente más barata, más eficiente y menos contaminante. Esto, sin embargo, aún no es plenamente realidad. La capacidad de la red, insuficiente, requiere con frecuencia centrales eficientes funcionando a baja capacidad, lo que obliga al cliente a adquirir energía de fuentes menos eficientes pero cercanas.

 

La solución está en combinar nuevos corredores de transmisión con un mejor uso, más eficiente, de los existentes mediante la adopción de nuevas tecnologías.

 

La energía eléctrica generada por las centrales se suministra a los usuarios finales, situados a cientos o miles de kilómetros, a través de una red de cables de transmisión y distribución interconectados (fig. 1, 2 y 3).

 

art109-redeseficientes-fig01Figura 1 – Los sistemas de transmisión y distribución conectan las centrales eléctricas con los usuarios finales (fuente: www.howstuffworks.com)

 

art109-redeseficientes-fig02Figura 2 – Localización de centrales eléctricas en Estados Unidos (fuente: Departamento de Energía Estadounidense)

 

art109-redeseficientes-fig03Figura 3 – Red de transmisión en Estados Unidos (fuente: Departamento de Energía Estadounidense)

 

Entre los componentes básicos de esta red están las torres de transmisión, conductores/cables, transformadores, interruptores, condensadores/reactores, dispositivos HVDC/FACTS y equipos de supervisión, protección, y control. En general, la red que transmite energía a largas distancias, desde las centrales eléctricas hasta las subestaciones próximas a los núcleos de población, se denomina red de transmisión masiva de energía eléctrica y opera a altas tensiones. El sistema de distribución, que entrega energía desde la subestación hasta los usuarios finales, a distancias más cortas, está menos interconectado y opera con tensiones más bajas. El sistema de transmisión y distribución (T+D) se diseña para garantizar una operación fiable, segura y económica de la entrega de energía, sujeta a la demanda de la carga y a limitaciones del sistema.

 

Un sistema T+D puede diseñarse para que proporcione tres niveles de servicios (fig. 4):

 

art109-redeseficientes-fig04Figura 4 – Los tres niveles de servicios proporcionados por los sistemas de transmisión y distribución

 

El primer nivel de servicio proporciona el mínimo nivel de conectividad y capacidad de transferencia de energía en condiciones normales de operación. Es el servicio más básico. Si este servicio no satisface sus requisitos, peligrará el desarrollo de las áreas servidas.

 

El segundo nivel de servicio tiene en cuenta un margen de seguridad para proporcionar un servicio seguro y fiable a los consumidores en caso de que en los componentes se produzcan averías admisibles. Este nivel requiere rutas redundantes entre las centrales eléctricas y los consumidores y, por tanto, un mayor nivel de redundancia de la capacidad T+D.

 

El tercer nivel de servicio permite optimizar diversos recursos de energía distribuidos geográficamente para conseguir el máximo bienestar social. Esto puede incluir el optimizar el uso de las diversas centrales eléctricas para reducir los gases de efecto invernadero, que pueden contribuir al calentamiento global, y maximizar el rendimiento económico total satisfaciendo la demanda de energía con transacciones energéticas hechas según las reglas del mercado. Tales optimizaciones son simplemente imposibles si no se dispone de suficiente capacidad T+D, más allá del nivel requerido por el segundo nivel de servicio.

 

Desafortunadamente, la mayoría de los sistemas T+D del mundo sólo llegan al segundo nivel de servicio, y parcialmente al tercero. Los apagones de los últimos años (Cuadro 1) evidencian la falta de fiabilidad y capacidad de optimización de los sistemas T+D en todos los continentes.

 

En la sección siguiente se ilustra cómo un sistema T+D bien construido también influye sobre el nivel de eficiencia energética conseguido con el suministro de potencia.

art109-redeseficientes-cuadro2

Cuadro 1 – Apagones importantes de los últimos años

 

Un sistema T+D inadecuado obstaculiza la eficiencia energética: un ejemplo de Norteamérica

 

Disponer de suficientes capacidades de transmisión y distribución es requisito previo esencial para una eficiente operación de los sistemas eléctricos por medio de la optimización de los recursos de generación y de la minimización de las pérdidas en el sistema de entrega de energía. Debido a una inversión claramente insuficiente en la expansión y modernización de redes, la infraestructura T+D actual de Estados Unidos exige a menudo adoptar anticipadamente tales medidas (fig. 5).

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Figura 5 – La inversión en transmisión va por detrás del crecimiento de la demanda de electricidad (fuente: EEI)

Congestión de la transmisión en Estados Unidos

La congestión de la transmisión se produce cuando se ha de reducir el flujo de electricidad por una línea o un equipo y mantenerlo por debajo de los niveles exigidos debido a insuficiente capacidad física o a limitaciones de seguridad operativa del sistema.

 

Los compradores de energía eléctrica buscan siempre la energía de mejor precio para transmitirla por la red a los centros de carga.

 

Si existe un factor restrictivo de la transmisión, que limita la cantidad de energía transmisible con seguridad desde la fuente más conveniente hasta un centro de carga, el operador de la red se ve obligado a encontrar una fuente de generación alternativa, más cara o menos eficiente, para cubrir la demanda del sistema.

 

Un estudio de la industria realizado en 2003 examinó los seis ISO (1) que operan en Estados Unidos, que incluyen Nueva Inglaterra, Nueva York, PJM (2), Oeste Central, Texas y California [1]. Este estudio determinó que los costes totales de congestión experimentados por los seis ISO durante el cuatrienio de 1999 a 2002 ascendió a unos 4.800 millones de dólares. Datos públicos obtenidos de los mercados de la energía administrados por RTO (3) han mostrado un aumento de los costes de congestión a lo largo del tiempo. Un estudio más reciente ha indicado que, a partir de los datos notificados del operador ISO de Nueva York y de PJM entre 2001 y 2005, los costes totales de congestión son de casi 1.000 millones de dólares anuales en Nueva York y más de 2.000 millones anuales en PJM [2]. La congestión de la transmisión exige también aliviar frecuentemente la carga de transmisión (fig.6). Si la demanda es muy alta y la generación local limitada, los operadores de la red pueden verse obligados a reducir el servicio a los consumidores de ciertas zonas para proteger la fiabilidad de la red.

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Figura 6 – Aumentan los incidentes de alivio de la carga de transmisión (TLR) (fuente: NERC)

Pérdidas de electricidad en sistemas T+D

El transporte de energía desde la fuente de generación hasta el punto de consumo siempre implica algunas pérdidas.

 

Estas aumentan la carga eléctrica total y, por tanto, requieren generar más electricidad, con la consiguiente pérdida de recursos. En conjunto, las pérdidas en los sistemas de transmisión y distribución representan entre el 6 y el 7,5 % de la energía eléctrica total producida [3]. Típicamente, las pérdidas son, aproximadamente, 3,5 % en el sistema de transmisión y 4,5 % en el sistema de distribución. Las pérdidas varían mucho según la configuración de la red, la ubicación y la producción de los generadores, y localización y demanda de los clientes. En particular, las pérdidas durante períodos de fuerte carga o en líneas fuertemente cargadas suelen ser mucho mayores que en condiciones de carga ligera. Esto se debe a que para la mayor parte de los dispositivos de entrega de energía eléctrica se puede suponer que existe una relación cuadrática entre las pérdidas y el flujo de la línea. Las pérdidas T+D anuales estimadas superan los 21.000 millones de dólares (cálculo basado en el precio medio nacional de la electricidad al por menor y en las pérdidas T+D totales en 2005 [3]).

 

Durante los últimos años, las pérdidas T+D en Estados Unidos han tendido claramente a aumentar, debido sobre todo al incremento de transacciones de electricidad y al ineficiente funcionamiento de los sistemas T+D (fig. 8).

art109-redeseficientes-fig08 Figura 8 – Pérdidas de transmisión y distribución en Estados Unidos, 2001–2005 (fuente: EIA)
En la segunda parte de este artículo veremos:

Tecnologías para mejorar la eficiencia de los sistemas de transmisión y distribución

Notas

 

(1) ISO: Operador de Sistema Independiente

(2) PJM: Interconexión Pensilvania Nueva Jersey Maryland

(3) RTO: Organización de Transmisión Regional

(4) Véase también “Ligero e invisible, transmisión subterránea con HVDC Light”, Dag Ravemark, Bo Normark, Revista ABB 4/2005 págs. 25–29.

(5) IGBT: Transistor Bipolar con Puerta Integrada (dispositivo electrónico de conmutación de alta potencia)

(6) DOE: Departamento de Energía (USA)

(7) EPACT: Acta de Política Energética

(8) Véase también “Flexibilidad de redes eléctricas: FACTS, una nueva forma de mejorar el flujo de energía”, Rolf Grünbaum, Johan Ulleryd, Revista ABB 4/2005 págs. 21–24.

(9) Basado en el precio medio nacional al por menor de la electricidad en Estados Unidos en 2005.

(10) 1 Quad = 1015 BTU = 2,931•1011 kWh = 1,055•1018 Julios

 

Bibliografía

 

[1] Dyer, J., U.S. Department of Energy Transmission Bottleneck Project Report, 2003

[2] Why Are Electricity Prices Increasing? A Report Prepared by The Brattle Group for for Edison Electric Institute (EEI),2006

[3] Energy Information Administration (www.eia.doe.gov)

[4] Hammons, T. J., Kennedy, B., Lorand, R., Thigpen, S., McConnell, B. W., Rouse S., Prevost, T. A., Pruess, C., Dade, S. J., Ramanan, V. R., and Baldwin, T. L., “Future trends in energy efficient transformers”, IEEE Power Engineering Review, pp. 5–16, July 1998.

[5] http://www-cta.ornl.gov/cta/Publications/Reports/ORNL-6847.pdf, retrieved April 2007
Autores: Enrique Santacana, Tammy Zucco, Xiaoming Feng, Jiuping Pan, Mirrasoul Mousavi, Le Tang

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2 Comentarios Publica un comentario
  1. avatar
    Pablo
    Ago 11 2013

    No hay duda que la posibilidad de redirigir en forma inteligente y automatica la provisión de energia en funcion de la demanda es un logro que deberiamos incorporar en Argentina.

    Responder
  2. avatar
    Ago 10 2013

    1 Como esta ´Perú con sus potencias instaladas

    2 como es el comportamiento de la comunidad para hacer tendidos de líneas ya sea en alta tensión como en media tensión

    3 cual es la mayor fuente de generación

    gracias

    Responder

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