Integración de la energía de las olas en las redes eléctricas: necesidades y oportunidades futuras

Los convertidores de energía de las olas (WEC) se encuentran en una etapa anterior de desarrollo que las plantas de energía eólica y solar. Se han propuesto y probado varios conceptos en todo el mundo, pero solo unos pocos WEC han exportado energía a las redes eléctricas.

Por lo tanto, el impacto de la integración de altos niveles de energía de las olas en las redes aún es incierto. Pero, ¿cómo podemos anticipar los requisitos y oportunidades para integración de energía de las olas ¿en el futuro cercano?

En este artículo, usamos lecciones de los desafíos técnicos asociados con la integración de grandes cantidades de otras fuentes de energía renovables variables para ayudar a responder esta pregunta.

Energía de las olas – foto ilustrativa. Crédito de la imagen: Sintef

Equilibrar la red eléctrica

Operar un sistema de energía se basa en hacer coincidir continuamente la fuente de alimentación con el consumo. Esto es necesario para mantener la frecuencia eléctrica de la red dentro del rango de operación normal, una medida fundamental de la estabilidad del sistema.

La frecuencia cae cuando la demanda de electricidad excede la oferta y aumenta cuando la demanda es menor. Las desviaciones aceptables durante el funcionamiento normal y las fallas grandes se especifican de acuerdo con las normas locales. códigos de cuadrículaque son especificaciones nacionales (o regionales) que definen los requisitos para conectar centrales eléctricas y otras instalaciones a una red eléctrica.

A lo largo del día se debe atender la demanda según diferentes escalas temporales:

• De segundos a minutos, la generación de energía está regulada para mantener la frecuencia de la red dentro del rango operativo en caso de perturbaciones. La regulación se realiza tanto de forma automática a través del control de frecuencia como manualmente por parte de los operadores de la red.
• De decenas de minutos a horas, la generación debe ajustarse lentamente para seguir los cambios naturales en la demanda. Este consiste en aumentar o disminuir la potencia generada, lo que puede involucrar el encendido/apagado de unidades generadoras en el sistema eléctrico.
• Diariamente, la programación (es decir, la planificación de la generación) se realiza para que coincida con la energía y la potencia máxima del día. Esto requiere predecir la carga, la producción de generación y la disponibilidad.

Ilustración de cómo el consumo y la generación de energía influyen en la frecuencia eléctrica de la red eléctrica. Crédito de la imagen: Sintef

Principales desafíos de integrar altos niveles de VRE en las redes eléctricas

La energía renovable variable (VRE), por ejemplo, la energía de las olas, la eólica y la solar fotovoltaica (PV), depende en gran medida de las condiciones climáticas, los ciclos diarios y los patrones estacionales. Por lo tanto, exportar grandes cantidades de VRE a las redes eléctricas aumenta la incertidumbre y la variabilidad de la producción de energía.

Debido a su naturaleza fluctuante, VRE es más desafiante cuando se trata de ajustar la potencia de salida de acuerdo con los cambios en la demanda eléctrica.

A diferencia de las plantas hidroeléctricas con grandes embalses, la fuente de energía primaria para la energía eólica, solar y de las olas no se puede almacenar en el sitio para aumentar convenientemente la producción de energía a pedido de los operadores de la red. La baja demanda se puede satisfacer limitando la generación, pero la mayor demanda solo se puede satisfacer si el VRE tiene energía de reserva disponible.

Además, las plantas VRE comúnmente se conectan a la red mediante interfaces electrónicos de potencia, lo que hace que la operación del generador sea independiente del voltaje y la frecuencia de la red eléctrica.

Esto permite que las turbinas eólicas y los WEC operen a velocidades variables para un seguimiento de potencia máximo y capacidad de supervivencia en diferentes condiciones climáticas. Sin embargo, este tipo de conexión a la red no agrega inercia rotacional al sistema eléctrico.

La inercia rotacional es la tendencia de un objeto giratorio a permanecer en movimiento. En los sistemas de potencia, representa la energía cinética almacenada en grandes generadores giratorios que los mantiene funcionando durante un tiempo, incluso cuando hay una pérdida repentina de energía.

Básicamente, resiste cambios en la frecuencia eléctrica, dando tiempo al sistema para responder y reequilibrar el suministro y el consumo de energía. Debido a la reducción de la inercia, las redes con altos niveles de VRE son vulnerables a grandes desviaciones de frecuencia, que afectan la estabilidad del sistema.

¿Cómo abordan los operadores de la red estos desafíos?

Tradicionalmente, el equilibrio de energía activa lo proporcionaba la generación convencional, por ejemplo, grandes centrales hidroeléctricas y de combustibles fósiles, debido a su inercia rotacional y su capacidad para ajustar más fácilmente la producción de energía para satisfacer los cambios en la demanda.

Por el contrario, las plantas de energía eólica principalmente maximizaron su producción de energía y exportaron energía a las redes siempre que estuvo disponible. Debido a los crecientes niveles de VRE y el reemplazo de las plantas de energía de combustibles fósiles, los operadores de la red ahora:

• Definición de requisitos más estrictos para la interconexión: Algunos sistemas de energía (por ejemplo, en Irlanda y el Reino Unido) ahora requieren que las plantas de energía eólica brinden soporte de control de frecuencia, dependiendo de su potencia nominal. Por lo tanto, los aerogeneradores no extraen la máxima potencia del viento. En su lugar, funcionan con potencia reducida, lo que les permite aumentar y disminuir su potencia de salida durante desviaciones de frecuencia específicas.
• Desarrollo de nuevos servicios para un soporte de frecuencia más rápido: En caso de perturbaciones importantes en el sistema eléctrico, las unidades generadoras (por ejemplo, turbinas eólicas) que brindan el servicio deben entregar energía más rápido que en el control de frecuencia tradicional. La interfaz de la electrónica de potencia se puede controlar para emular la inercia de los generadores síncronos, o se puede inyectar una potencia constante durante unos segundos. En cualquier caso, una reserva de energía debe estar disponible.

Además, las técnicas precisas de pronóstico de VRE y la coordinación con los sistemas de almacenamiento de energía son esenciales para una integración efectiva y confiable de altos niveles de VRE.

¿Cómo puede contribuir la energía de las olas al balance de potencia activa?

Los convertidores de energía de las olas (WEC) capturan la energía de las olas del océano y la convierten en electricidad a través de un sistema de toma de fuerza (PTO). Si bien los WEC aún se encuentran en una etapa temprana de desarrollo, podemos utilizar las lecciones aprendidas de la alta exportación de otros tipos de VRE para anticipar los requisitos futuros y las oportunidades para la integración de la energía de las olas, e incluso adaptar el diseño del WEC.

Por ejemplo, siguiendo los desarrollos recientes en la integración de la energía eólica, se puede esperar que los WEC también deban respaldar la operación de la red contribuyendo al balance de potencia activa.

La combinación de la energía de las olas con otros tipos de VRE (p. ej., energía eólica y solar fotovoltaica) puede contribuir naturalmente a este equilibrio energético debido a la complementariedad de estos diferentes tipos de energía. Además de los plazos específicos de la energía de las olas, también se pueden utilizar los componentes de almacenamiento de energía a corto plazo integrados en la toma de fuerza.

Una descripción general de las escalas de tiempo típicas de los WEC, incluido el almacenamiento de energía de los sistemas PTO y el suministro de energía activa en los sistemas de energía, indica que existe un potencial significativo para las granjas de olas (es decir, conjuntos de WEC) para respaldar la operación estable de la red eléctrica, consulte la figura abajo.

Escalas de tiempo típicas de soporte de frecuencia, energía de las olas y control de PTO y almacenamiento de energía. Crédito de la imagen: Sintef

Al igual que las turbinas eólicas, los WEC pueden operar por debajo de la potencia máxima disponible para tener un margen para aumentar y disminuir la potencia de salida. Además, en relación con las capacidades de almacenamiento de energía de la toma de fuerza,

• En el rango de segundos, Los WEC, como los cuerpos oscilantes con acumuladores hidráulicos y los sistemas de columna de agua oscilante (OWC) con volantes, pueden aumentar la exportación de potencia activa para brindar soporte o regulación de frecuencia rápida, siempre que el sistema de control responda lo suficientemente rápido a los comandos. Por ejemplo, la energía almacenada en forma de aire (o agua) a presión en los WEC con acumuladores se puede utilizar para este fin.
• En el intervalo de minutos y horas, Los pronósticos de recursos precisos serán fundamentales para minimizar la incertidumbre relacionada con las reservas de energía. La coordinación con baterías en el sistema PTO puede ser particularmente beneficiosa en estos casos.

Ejemplos WEC: cuerpos oscilantes con toma de fuerza hidráulica y sistemas OWC. Crédito de la imagen: Sintef

En última instancia, la capacidad de los WEC para brindar soporte de frecuencia a las redes dependerá principalmente de las capacidades de PTO, la disponibilidad de reservas de energía y el sistema de control.

Esto agregará otra capa al sistema de control de la toma de fuerza, cuyo objetivo común es maximizar la energía extraída de las olas, y requerirá el desarrollo de una estructura de control jerárquica a nivel de granja de olas, un tema que no ha sido ampliamente discutido por la industria de las olas. comunidad energética todavía.

Fuente: Sintef