Red Eléctrica Autónoma

Las redes de energía autónomas utilizan IA, energía renovable y almacenamiento de energía para optimizar la red.

por Benjamin Kroposki, Andrey Bernstein, Jennifer King y Fei Ding

En el vecindario de Basalt Vista en Colorado, una microrred permite que 27 hogares compartan electricidad sin problemas cuando sea necesario. Hasta ahora, las facturas de servicios públicos son aproximadamente un 85 por ciento más bajas que las facturas de electricidad típicas del estado. La empresa eléctrica local, Holy Cross Energy, se asoció con el Laboratorio Nacional de Energía Renovable para implementar esta red de energía autónoma.

Red Eléctrica Autónoma
Basalt Vista en Colorado – Foto: Scott Randall / NREL

En el vecindario de Basalt Vista en Colorado, una microrred permite que 27 hogares compartan electricidad sin problemas cuando sea necesario. Hasta ahora, las facturas de servicios públicos son aproximadamente un 85 por ciento más bajas que las facturas de electricidad típicas del estado. La empresa eléctrica local, Holy Cross Energy, se asoció con el Laboratorio Nacional de Energía Renovable para implementar esta red de energía autónoma.

Es genial tener vecinos en los que puede confiar, ya sea que esté pidiendo prestada una taza de azúcar o necesite que alguien pasee a su perro mientras está fuera de la ciudad. En el vecindario de Basalt Vista , en el oeste de Colorado , los residentes están aún más cerca que la mayoría: comparten la electricidad. Pero a diferencia de su vecino con el azúcar, es posible que los residentes de Basalt Vista ni siquiera sepan cuándo están siendo generosos. Los intercambios de energía ocurren automáticamente, entre bastidores. Lo que los residentes sí saben es cuán económica, confiable y renovable es su electricidad.

Las 27 casas inteligentes en Basalt Vista, ubicadas a unos 290 kilómetros al oeste de Denver, son parte de un piloto para un enfoque completamente nuevo de la red eléctrica. Todo el barrio está interconectado a través de una microrred que a su vez se conecta a la red principal. Dentro de cada hogar, cada aparato inteligente y recurso energético, como una batería de almacenamiento, un calentador de agua o un sistema solar fotovoltaico (PV), se controlan para maximizar la eficiencia energética.

A mayor escala, las casas dentro del vecindario pueden compartir energía rápidamente, creando electricidad confiable para todos; la energía solar generada en una casa se puede usar para cargar el auto eléctrico de al lado. Si un incendio forestal destruyera las líneas eléctricas en el área, los residentes aún tendrían electricidad generada y almacenada dentro del vecindario. Desde la primavera hasta el otoño, los sistemas fotovoltaicos pueden proporcionar suficiente electricidad y recargar las baterías durante días. En pleno invierno, con el calor en funcionamiento y la nieve en los paneles solares, la energía de respaldo durará aproximadamente 2 horas.

En teoría, los sistemas de energía de cualquier tamaño podrían cubrirse en un mosaico de Basalt Vistas, regiones en capas e incluso un país entero en redes inteligentes para administrar automáticamente la producción y el uso de energía en millones de recursos energéticos distribuidos controlables. Ese concepto subyace en la red de energía autónoma (AEG) , una visión de cómo el futuro de la energía se puede definir mediante la resiliencia y la eficiencia.

El concepto y la tecnología central para la red de energía autónoma están siendo desarrollados por nuestro equipo en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable , en Golden, Colorado. Desde 2018, NREL y la empresa local Holy Cross Energy han estado poniendo el concepto en práctica, comenzando con la construcción. de las primeras cuatro casas en Basalt Vista. Cada casa tiene un sistema fotovoltaico en la azotea de 8 kilovatios con baterías de almacenamiento de fosfato de hierro y litio, así como calefacción, refrigeración, calentadores de agua y electrodomésticos totalmente eléctricos y de bajo consumo. Todos esos activos son monitoreados y pueden ser controlados por AEG. Hasta ahora, las facturas de servicios públicos promedio han sido aproximadamente un 85 por ciento más bajas que las facturas de electricidad típicas de Colorado.

Imagen de personas fuera de una casa y controladores inteligentes.
Foto: Josh Bauer / NREL

Las casas totalmente eléctricas en Basalt Vista de Colorado utilizan controladores inteligentes de Heila Technologies [derecha] para administrar los paneles fotovoltaicos, las baterías, la carga de vehículos eléctricos, la calefacción y la refrigeración. En caso de un corte en la red regional, el vecindario aún puede obtener electricidad del almacenamiento de la batería y de la energía solar en la azotea.

Los AEG generarán al menos tantos beneficios para los servicios públicos como para los clientes. Con los AEG que monitorean los recursos energéticos distribuidos, como la energía solar en la azotea y las baterías de almacenamiento doméstico, la sala de control de una empresa de servicios públicos se volverá más como un centro de control de tráfico aéreo altamente automatizado. El resultado es que la energía generada dentro de un AEG se usa de manera más eficiente: se consume inmediatamente o se almacena. Con el tiempo, el operador tendrá que invertir menos en la construcción, operación y mantenimiento de generadores más grandes, incluidas las costosas plantas “pico” que se utilizan solo cuando la demanda es inusualmente alta.

Pero, ¿puede una red tan grande y complicada como una red eléctrica nacional funcionar realmente de forma descentralizada y automatizada? Nuestra investigación dice definitivamente que sí. Proyectos como el de Basalt Vista nos están ayudando a descubrir nuestras ideas sobre AEG y demostrarlas en entornos del mundo real y, por lo tanto, están desempeñando un papel crucial en la definición del futuro de la red eléctrica. Así es cómo.

Hoy, los operadores de la red deben superar dos grandes problemas. En primer lugar, se está conectando a la red un número cada vez mayor de recursos energéticos distribuidos. En los Estados Unidos, por ejemplo, se espera que las instalaciones solares residenciales crezcan aproximadamente un 8 por ciento por año hasta 2050 , mientras que se estima que los sistemas de baterías domésticas llegarán a casi 1,8 gigavatios para 2025, y alrededor de 18,7 millones de vehículos eléctricos podrían estar en las carreteras de Estados Unidos para 2030. Con tal crecimiento anticipado, es posible que dentro de una década, la mayoría de los clientes de electricidad de EE. UU. Puedan tener un puñado de recursos energéticos distribuidos controlables en sus hogares. Según esas matemáticas, Pacific Gas & Electric Co.4 millones de clientes en el Área de la Bahía de San Francisco podrían tener un total de unos 20 millones de sistemas conectados a la red que la empresa de servicios públicos necesitaría administrar para operar su red de manera confiable y económica. Eso se suma al mantenimiento de los polos, cables, transformadores, interruptores y centrales eléctricas centralizadas de su red.

Foto de una casa en la nieve con rejillas.
Foto: Dennis Schroeder / NREL

La red de energía autónoma de Basalt Vista utiliza una antena de radio de 900 megahertz para comunicarse con el centro de despacho de Holy Cross Energy, a unos 50 kilómetros de distancia.

Debido al creciente número de dispositivos conectados a la red, los operadores ya no podrán utilizar el control centralizado en un futuro no muy lejano. En una red geográficamente dispersa, las latencias de comunicación por sí solas hacen que un sistema centralizado no sea práctico. En cambio, los operadores tendrán que pasar a un sistema de optimización y control distribuidos.

Imagen de un sistema de energía
Foto: Josh Bauer / NREL

Los hogares dependen de las baterías de fosfato de hierro y litio de Blue Planet Energy.

El otro problema al que se enfrentan los operadores es que la red funciona en condiciones cada vez más inciertas, que incluyen velocidades del viento fluctuantes, nubosidad y oferta y demanda impredecibles. Por lo tanto, el estado óptimo de la red varía cada segundo y debe determinarse de manera robusta en tiempo real.

Una red controlada de forma centralizada no puede manejar esta cantidad de coordinación. Ahí es donde entran en juego los AEG. La idea de una red de energía autónoma surgió de la participación de NREL en un programa llamado NODES (Network Optimized Distributed Energy Systems) patrocinado por la agencia de energía de vanguardia del Departamento de Energía de EE. UU., ARPA-E. La contribución de nuestro laboratorio a NODES fue la creación de algoritmos para un modelo de red eléctrica compuesto en su totalidad por recursos energéticos distribuidos. Nuestros algoritmos tenían que tener en cuenta las capacidades computacionales limitadas de muchos dispositivos de los clientes (incluidos la energía solar en la azotea, los vehículos eléctricos, las baterías, los electrodomésticos inteligentes y otras cargas) y, sin embargo, permitir que esos dispositivos se comuniquen y se optimicen automáticamente. NODES, que concluyó el año pasado, tuvo éxito, pero solo como marco para una “célula”, es decir, una comunidad controlada por un AEG.

Nuestro grupo decidió llevar la idea de NODES más allá: extender el modelo a una cuadrícula completa y sus muchas celdas componentes, permitiendo que las celdas se comuniquen entre sí en un sistema jerárquico. La generación, el almacenamiento y las cargas se controlan mediante bloques de construcción celulares en una jerarquía distribuida que optimiza tanto la operación local como la operación de la celda cuando está interconectada a una red más grande.

En nuestro modelo, cada AEG consta de una red de tecnologías de generación, almacenamiento y uso final de energía. En ese sentido, los AEG son muy similares a las microrredes, que se están implementando cada vez más en los Estados Unidos y en otras partes del mundo. Pero un AEG es computacionalmente más avanzado, lo que permite que sus activos cooperen en tiempo real para hacer coincidir la oferta con la demanda en escalas de tiempo segundo a segundo. Similar a un vehículo autónomo, en el que el vehículo toma decisiones locales sobre cómo moverse, un AEG actúa como un sistema de energía autónomo, uno que decide cómo y cuándo mover la energía. El resultado es que un AEG funciona con alta eficiencia y puede recuperarse rápidamente de las interrupciones, o incluso evitar una interrupción por completo. Una red eléctrica que consista en su totalidad en AEG podría abordar hábilmente los desafíos en todos los niveles,

Para desarrollar la idea, tuvimos que empezar por algún lado. Basalt Vista presentó una excelente oportunidad para llevar el concepto AEG del laboratorio a la red. El vecindario está diseñado para tener energía neta cero y está relativamente cerca de la Instalación de Integración de Sistemas de Energía de NREL , donde se encuentra nuestro grupo.

Además, Holy Cross Energy había estado buscando una solución para administrar los recursos energéticos propiedad del cliente y la generación masiva en su sistema. En los últimos años, los recursos de propiedad del cliente conectados a la red se han vuelto mucho más asequibles; La red de Holy Cross ha estado recibiendo de 10 a 15 nuevas instalaciones solares en azoteas por semana. Para el 2030, la empresa de servicios públicos planea instalar un sistema de pico de verano de 150 megavatios alimentado por energía solar. Mientras tanto, sin embargo, la empresa de servicios públicos tuvo que lidiar con dispositivos no estandarizados que causaban inestabilidades en su red, cortes ocasionales por clima severo e incendios forestales, generación variable de energía solar y eólica, y un mercado incierto para la energía solar en los techos y otras energías generadas por sus clientes.

En resumen, lo que enfrentaba Holy Cross se parecía mucho a lo que enfrentan otros operadores de red en todo el país y gran parte del mundo.

Para desarrollar el concepto AEG , nuestro grupo está trabajando en la unión de dos campos: teoría de optimización y teoría de control. La teoría de la optimización encuentra soluciones, pero puede ignorar las condiciones del mundo real. Los algoritmos de control funcionan para estabilizar un sistema en condiciones menos que ideales. Juntos, estos dos campos forman el andamiaje teórico de un AEG.

Por supuesto, este andamiaje teórico tiene que ajustarse a las complicadas limitaciones del mundo real. Por ejemplo, los controladores que ejecutan los algoritmos AEG no son supercomputadoras; son plataformas informáticas comunes o controladores integrados en el borde de la red, y deben completar sus cálculos en menos de 1 segundo. Eso se traduce en un código más simple y, en este caso, más simple es mejor. Mientras tanto, sin embargo, los cálculos deben tener en cuenta la latencia en las comunicaciones; en una red distribuida, todavía habrá retrasos en el tiempo a medida que las señales viajan de un nodo al siguiente. Nuestros algoritmos también deben poder operar con datos escasos o faltantes y lidiar con variaciones creadas por equipos de diferentes proveedores.

Incluso si producimos hermosos algoritmos, su éxito aún depende de la física de la topología de las líneas eléctricas y la precisión de los modelos de los dispositivos. Para un edificio comercial grande, donde desea elegir qué encender y apagar, necesita un modelo preciso de ese edificio en los plazos correctos. Si tal modelo no existe, debe construir uno. Hacer eso se vuelve un orden de magnitud más difícil cuando las optimizaciones incluyen muchos edificios y muchos modelos.

La cuadrícula distribuida

Ilustración de una cuadrícula distribuidora.
Ilustración: Jude Buffum

A diferencia de una red de energía centralizada, una red de energía autónoma (AEG) está compuesta por unidades locales o celdas, cada una de las cuales incluye generación, almacenamiento y consumo de electricidad. Cada segmento hexagonal que se muestra aquí representa una celda AEG. Cuando se interconectan en una jerarquía distribuida, los AEG optimizan la operación local de cada celda, así como su operación dentro de la red más grande.

Hemos descubierto que definir un modelo abstracto es más difícil que optimizar el comportamiento del objeto real. En otras palabras, estamos “eliminando al intermediario” y en su lugar usamos datos y medidas para aprender el comportamiento óptimo directamente. Utilizando análisis de datos avanzados y técnicas de aprendizaje automático, hemos acelerado drásticamente el tiempo necesario para encontrar soluciones óptimas.

Hasta la fecha, hemos logrado superar estos obstáculos a pequeña escala. La instalación de integración de sistemas energéticos de NREL es un banco de pruebas avanzado para examinar nuevos modelos de integración energética y modernización de la red eléctrica. Hemos podido probar qué tan prácticos son nuestros algoritmos antes de implementarlos en el campo; pueden verse bien en papel, pero si está tratando de decidir el destino de, digamos, un millón de dispositivos en 1 segundo, será mejor que se asegure de que realmente funcionan. En nuestros experimentos iniciales con equipos de energía real, más de 100 recursos distribuidos a la vez, con un total de aproximadamente medio megavatio, pudimos validar los conceptos de AEG operando los sistemas en una variedad de escenarios.

Al salir del laboratorio, realizamos por primera vez una pequeña demostración en 2018 con la microrred en Stone Edge Farm Estate Vineyards and Winery en Sonoma, California, en asociación con el fabricante de controladores Heila Technologies , en Somerville, Massachusetts. La microrred de 785 kilovatios alimenta la granja de 6.5 hectáreas a través de una combinación de paneles solares, celdas de combustible y una microturbina que funciona con gas natural e hidrógeno, así como almacenamiento en forma de baterías e hidrógeno. Un electrolizador in situ alimenta una estación de servicio de hidrógeno para los tres coches eléctricos de pila de combustible de la granja.

La microrred está conectada a la red principal, pero también puede funcionar de forma independiente en modo “isla” cuando sea necesario. Durante los incendios forestales de octubre de 2017, por ejemplo, la red principal en Sonoma y sus alrededores se averió y la granja fue evacuada durante 10 días, pero la microrred siguió funcionando sin problemas en todo momento. Nuestra demostración de AEG en Stone Edge Farm conectó 20 de los activos de energía de la microrred y mostramos cómo esos activos podrían funcionar colectivamente como una planta de energía virtual de una manera resistente y eficiente. Este experimento sirvió como otra prueba de concepto para el AEG.

Basalt Vista está llevando el concepto AEG aún más lejos. Un distrito de viviendas asequibles de energía neta cero desarrollado por Habitat for Humanity para maestros de escuela y otros trabajadores locales, ya tenía mucho que ofrecer . Los resultados finales de este experimento del mundo real aún no están disponibles, pero ver a los primeros residentes abrazar felizmente esta nueva frontera en energía nos ha traído otro nivel de entusiasmo sobre el futuro de los AEG.

Investigadores mostrando tecnología y una fila de autos.
Fotos: Dennis Schroeder / NREL

En el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, los investigadores desarrollaron los algoritmos de optimización para la red de energía autónoma y los probaron en sistemas de energía del mundo real [arriba], como estaciones de carga de vehículos eléctricos [abajo].

Diseñamos nuestras primeras demostraciones para que otras empresas de servicios públicos pudieran ejecutar pruebas del enfoque AEG de forma segura y sencilla utilizando protocolos de interoperabilidad estándar. Ahora nuestro grupo está considerando los desafíos adicionales que enfrentarán los AEG cuando ampliemos su escala y cuando hagamos la transición del despliegue rural de Holy Cross Energy a la red de una ciudad densa. Ahora estamos estudiando cómo se verá esta idea en un sistema de energía (dentro de un parque eólico, dentro de un edificio de oficinas, en un complejo industrial) y qué efectos tendrá en la transmisión y distribución de energía. También estamos explorando los mecanismos de mercado que favorecerían a los AEG. Está claro que se necesitará una amplia colaboración entre disciplinas para impulsar el concepto.

Nuestro grupo en NREL no es el único que mira AEG. Investigadores de varias universidades líderes se han unido a NREL en un esfuerzo por construir la ciencia fundamental detrás de los AEG. Emiliano Dall’Anese de la Universidad de Colorado, Boulder; Florian Dörfler de ETH Zurich; Ian A. Hiskens de la Universidad de Michigan; Steven H. Low en Netlab de Caltech ; y Sean Meyn de la Universidad de Florida son los primeros contribuyentes a la visión de AEG y han participado en una serie de talleres sobre el tema. Estas colaboraciones ya están produciendo docenas de documentos técnicos cada año que continúan construyendo las bases de los AEG.

Dentro de NREL, el círculo de contribuyentes de AEG también se está expandiendo, y estamos viendo cómo el concepto puede aplicarse a otras formas de generación. Un ejemplo es la energía eólica, donde un futuro habilitado por AEG significa que técnicas de control similares a las implementadas en Stone Edge Farm y Basalt Vista gestionarán de forma autónoma grandes parques eólicos. Al tomar un problema grande y dividirlo en celdas más pequeñas, los algoritmos de AEG reducen drásticamente el tiempo necesario para que todas las turbinas lleguen a un consenso sobre la dirección del viento y respondan girando hacia el viento, lo que puede impulsar la producción total de energía . En el transcurso de un año, eso podría significar millones de dólares de ingresos adicionales para el operador.

En nuestra investigación, también estamos considerando cómo integrar de manera óptima el suministro variable de energía eólica en una celda más grande que incluye otros dominios energéticos. Por ejemplo, si el sistema de gestión de energía de un edificio tiene acceso a los pronósticos de viento, podría cambiar su carga en tiempo real para que coincida con la energía eólica disponible. Durante una pausa de la tarde en la velocidad del viento, el aire acondicionado del edificio podría ajustarse automáticamente hacia arriba unos pocos grados para reducir la demanda, con energía adicional extraída del almacenamiento de la batería.

También estamos analizando la infraestructura de comunicaciones. Para lograr la respuesta rápida requerida por una celda AEG, las comunicaciones no se pueden obstruir con conexiones simultáneas a millones de dispositivos. En una nueva asociación de NREL con la compañía inalámbrica Anterix , de Woodland Park, Nueva Jersey, estamos demostrando cómo funcionaría una red LTE dedicada para las comunicaciones de dispositivos.

La operación confiable, por supuesto, asume que los canales de comunicación están protegidos de ciberamenazas y amenazas físicas. La posibilidad de tales ataques está guiando la conversación en los sistemas de energía hacia la resiliencia y confiabilidad. Creemos que los AEG deben minimizar el impacto tanto de los ataques deliberados como de los desastres naturales y hacer que la red sea más resistente. Esto se debe a que el estado de cada activo conectado a la red en cada celda AEG se comprobará segundo a segundo. Cualquier cambio de estado repentino e inesperado provocaría una respuesta adecuada. En la mayoría de los casos, no se requeriría ninguna acción drástica porque el cambio está dentro de la variabilidad normal de las operaciones. Pero si la causa es una falla importante, la celda podría aislarse automáticamente, parcial o totalmente, del resto de la red hasta que se resuelva el problema.

Por ahora, los AEG aparecerán primero en vecindarios como Basalt Vista y en otros entornos de pequeña escala, como hospitales y campus universitarios. Sin embargo, con el tiempo, deberían realizarse despliegues más grandes. En Hawái, por ejemplo, 350.000 clientes han instalado energía solar en la azotea. Con el mandato del estado para el 100 por ciento de energía renovable para 2045, la cantidad de energía solar distribuida podría triplicarse. La empresa de servicios públicos, Hawaiian Electric Company, prevé tener que conectar unos 750.000 inversores solares, así como sistemas de baterías, vehículos eléctricos y otros recursos energéticos distribuidos. En consecuencia, HECO busca llevar el control autónomo al nivel local tanto como sea posible, para minimizar la necesidad de comunicación entre el centro de control y cada dispositivo. Una red completamente autónoma llevará algún tiempo implementarla. En particular, necesitaremos realizar pruebas y demostraciones exhaustivas para demostrar su viabilidad con las infraestructuras de control y comunicaciones actuales de HECO. Pero eventualmente, el concepto AEG permitirá a la empresa de servicios públicos priorizar los controles y enfocarse en operaciones críticas en lugar de tratar de administrar dispositivos individuales.

Creemos que pasará otra década antes de que los despliegues de AEG se conviertan en algo común, pero un mercado de AEG puede llegar antes. El año pasado avanzamos en la comercialización de los algoritmos AEG y, con el apoyo de la Oficina de Tecnologías de Energía Solar del DOE , NREL ahora colabora con Siemens en técnicas de control distribuido. Asimismo, NREL y la empresa de administración de energía Eaton Corp. se han asociado para utilizar el trabajo de AEG para transporte autónomo y electrificado.

Mientras tanto, NREL ha explorado cómo sustentar un mercado de energía distribuida mediante transacciones basadas en blockchain, una opción para los llamados mercados de energía transactiva. Ese proyecto, en asociación con BlockCypher , demostró con éxito que un vecindario como Basalt Vista podría monetizar sin problemas su energía compartida.

A medida que avanzamos hacia un futuro de energía 100% limpia, con una alta concentración de tecnologías energéticas basadas en inversores, necesitaremos una solución como AEG para continuar operando la red de manera confiable, económica y resistente. En lugar de buscar plantas de energía centrales para satisfacer sus necesidades de electricidad, los clientes individuales podrán confiar cada vez más entre sí. En una red construida sobre AEG, ser vecino será automático.

Este artículo aparece en la edición impresa de diciembre de 2020 como “Las buenas redes son buenos vecinos”.

Sobre el Autor

Benjamin Kroposki es miembro de IEEE y director del Centro de Ingeniería de Sistemas de Energía en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable , en Golden, Colorado. Andrey Bernstein es gerente de grupo de Control y Optimización de Sistemas de Energía de NREL, Jennifer King es ingeniera de investigación en Tecnología Eólica Nacional de NREL Center, y Fei Ding es ingeniero de investigación senior en NREL.

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