Red eléctrica

Una microrred es una red local que generalmente forma parte de la red síncrona regional de área amplia, pero que puede desconectarse y operar de forma autónoma. ^{[ 5 ]} Puede hacerlo cuando la red principal se ve afectada por interrupciones. Esto se conoce como funcionamiento en modo isla , y puede operar indefinidamente con sus propios recursos.

En comparación con las redes de mayor tamaño, las microrredes suelen utilizar una red de distribución de menor voltaje y generadores distribuidos. ^{[ 6 ]} Las microrredes no solo pueden ser más resilientes, sino que también pueden ser más económicas de implementar en áreas aisladas.

Un objetivo de diseño es que un área local produzca toda la energía que utiliza. ^{[ 5 ]}

Una red síncrona de área amplia (también llamada "interconexión" en Norteamérica) es una red eléctrica de escala regional o mayor que opera a una frecuencia sincronizada y está conectada eléctricamente en condiciones normales del sistema. Por ejemplo, existen cuatro interconexiones principales en Norteamérica (la Interconexión Occidental , la Interconexión Oriental , la Interconexión de Quebec y la Interconexión de Texas ). En Europa, una gran red conecta la mayor parte de Europa Occidental . Estas también se conocen como zonas síncronas, la mayor de las cuales es la red síncrona de Europa Continental (ENTSO-E) con 667 gigavatios (GW) de generación, y la región más extensa atendida es la del sistema IPS/UPS que presta servicio a los países de la antigua Unión Soviética. Las redes síncronas con amplia capacidad facilitan el comercio de electricidad en amplias áreas. En ENTSO-E, en 2008, se vendieron más de 350 000 megavatios hora al día en la Bolsa Europea de Energía (EEX). ^{[ 7 ]}  

Cada una de las interconexiones en Norteamérica funciona a una frecuencia nominal de 60  Hz, mientras que las de Europa funcionan a 50  Hz. Las interconexiones vecinas con la misma frecuencia y estándares pueden sincronizarse y conectarse directamente para formar una interconexión mayor, o pueden compartir energía sin sincronización a través de líneas de transmisión de corriente continua de alta tensión ( enlaces de CC ) o con transformadores de frecuencia variable (VFT), que permiten un flujo de energía controlado a la vez que aíslan funcionalmente las frecuencias de CA independientes de cada lado.

Entre los beneficios de las zonas síncronas se incluyen la puesta en común de la generación, lo que reduce los costos de generación; la puesta en común de la carga, lo que produce importantes efectos de ecualización; el suministro común de reservas, lo que reduce los costos de la energía de reserva primaria y secundaria; la apertura del mercado, lo que permite la posibilidad de contratos a largo plazo e intercambios de energía a corto plazo; y la asistencia mutua en caso de perturbaciones. ^{[ 8 ]}

Una desventaja de una red síncrona de área amplia es que los problemas en una parte pueden tener repercusiones en toda la red. Por ejemplo, en 2018, Kosovo consumió más energía de la que generó debido a una disputa con Serbia , lo que provocó que la fase en toda la red síncrona de Europa continental se retrasara con respecto a la que debería haber sido. La frecuencia cayó a 49,996  Hz. Esto causó que ciertos tipos de relojes se retrasaran seis minutos. ^{[ 9 ]}

• 
  Las redes síncronas de Europa
• 
  Las dos interconexiones principales y las tres secundarias de América del Norte
• 
  Principales grupos de mujeres y jóvenes afroamericanos en todo el mundo

Una superred es una red de transmisión de área extensa diseñada para posibilitar el intercambio de grandes volúmenes de electricidad a grandes distancias. A veces también se la denomina megared . Las superredes pueden apoyar una transición energética global al suavizar las fluctuaciones locales de la energía eólica y solar . En este contexto, se consideran una tecnología clave para mitigar el calentamiento global . Las superredes suelen utilizar corriente continua de alta tensión (HVDC) para transmitir electricidad a largas distancias. La última generación de líneas eléctricas HVDC puede transmitir energía con pérdidas de tan solo el 1,6 % por cada 1000  km. ^{[ 11 ]}

Las compañías eléctricas entre regiones suelen estar interconectadas para mejorar la economía y la fiabilidad. Las interconexiones eléctricas permiten economías de escala, facilitando la compra de energía a grandes y eficientes fuentes. Las compañías pueden obtener energía de las reservas de generadores de otra región para garantizar un suministro eléctrico continuo y fiable, además de diversificar sus cargas. La interconexión también permite a las regiones acceder a energía a granel barata al recibirla de diferentes fuentes. Por ejemplo, una región puede producir energía hidroeléctrica barata durante las épocas de crecida, mientras que otra puede producir energía eólica más barata durante las épocas de estiaje, lo que permite a ambas regiones acceder a fuentes de energía más económicas entre sí en diferentes épocas del año. Las compañías vecinas también ayudan a otras a mantener la frecuencia general del sistema y a gestionar las transferencias de conexión entre regiones. ^{[ 12 ]}

El Nivel de Interconexión Eléctrica (EIL) de una red es la relación entre la potencia total de interconexión a la red y la capacidad de producción instalada de la red. Dentro de la UE, se ha establecido un objetivo para las redes nacionales que alcancen el 10 % para 2020 y el 15 % para 2030. ^{[ 13 ]}

La generación de electricidad es el proceso de generar energía eléctrica en centrales eléctricas . Esto se realiza, en última instancia, a partir de fuentes de energía primaria, generalmente mediante generadores electromecánicos impulsados ​​por motores térmicos que utilizan fuentes fósiles , nucleares y geotérmicas , o bien por la energía cinética del agua o del viento. Otras fuentes de energía son la energía fotovoltaica, que aprovecha la radiación solar, y las baterías de red . ^{[ nb 1 ]}

La suma de las potencias generadas por los generadores conectados a la red eléctrica constituye la producción de la red, que normalmente se mide en gigavatios (GW).

La transmisión de energía eléctrica consiste en el transporte masivo de energía eléctrica desde una central generadora, a través de una red de líneas interconectadas, hasta una subestación eléctrica , desde donde se conecta al sistema de distribución. Este sistema de conexiones en red se distingue del cableado local entre las subestaciones de alta tensión y los clientes. Las redes de transmisión se construyen con rutas redundantes para evitar un único punto de fallo . En caso de avería en las líneas, esta redundancia permite redirigir la energía fácilmente mientras se realizan las reparaciones.

Dado que la energía suele generarse lejos de donde se consume, el sistema de transmisión puede cubrir grandes distancias. Para una cantidad de energía determinada, la eficiencia de transmisión es mayor a voltajes más altos y corrientes más bajas. Por lo tanto, los voltajes se elevan en la central generadora y se reducen en las subestaciones locales para su distribución a los clientes.

La mayoría de las transmisiones son trifásicas . En comparación con las monofásicas, las trifásicas pueden suministrar mucha más potencia con una cantidad determinada de cable, ya que los cables neutro y de tierra se comparten. ^{[ 15 ]} Además, los generadores y motores trifásicos son más eficientes que sus homólogos monofásicos.

Sin embargo, en los conductores convencionales, una de las principales pérdidas son las pérdidas resistivas, que siguen una ley cuadrática con respecto a la corriente y dependen de la distancia. Las líneas de transmisión de CA de alta tensión pueden perder entre un 1 % y un 4 % por cada cien millas. ^{[ 16 ]} No obstante, la corriente continua de alta tensión puede tener la mitad de pérdidas que la CA. En distancias muy largas, estas eficiencias pueden compensar el coste adicional de las estaciones convertidoras CA/CC necesarias en cada extremo.

Las subestaciones pueden realizar diversas funciones, pero generalmente transforman el voltaje de bajo a alto (elevación) y de alto a bajo (reducción). Entre el generador y el consumidor final, el voltaje puede transformarse varias veces. ^{[ 17 ]}

Los tres tipos principales de subestaciones, por función, son: ^{[ 18 ]}

• Subestación elevadora: estas utilizan transformadores para elevar el voltaje proveniente de los generadores y las centrales eléctricas, de modo que la energía pueda transmitirse a largas distancias de manera más eficiente y con corrientes más pequeñas.
• Subestación reductora: estos transformadores disminuyen la tensión proveniente de las líneas de transmisión, la cual puede utilizarse en la industria o enviarse a una subestación de distribución.
• Subestación de distribución: estas transforman el voltaje a un nivel inferior para su distribución a los usuarios finales.

Además de los transformadores, otros componentes o funciones importantes de las subestaciones incluyen:

• Interruptores automáticos : se utilizan para interrumpir automáticamente un circuito y aislar una falla en el sistema. ^{[ 19 ]}
• Interruptores : para controlar el flujo de electricidad y aislar equipos. ^{[ 20 ]}
• La barra colectora de la subestación : típicamente un conjunto de tres conductores, uno para cada fase de la corriente. La subestación se organiza alrededor de las barras colectoras, y estas se conectan a las líneas de entrada, transformadores, equipos de protección, interruptores y líneas de salida. ^{[ 19 ]}
• pararrayos
• Condensadores para la corrección del factor de potencia
• Condensadores síncronos para la corrección del factor de potencia y la estabilidad de la red.

La distribución es la etapa final en el suministro de energía; transporta la electricidad desde el sistema de transmisión hasta los consumidores individuales. Las subestaciones se conectan al sistema de transmisión y reducen la tensión de transmisión a media tensión que oscila entre2 kV  y35  kV . Pero los niveles de voltaje varían mucho entre diferentes países; en Suecia, el voltaje medio es normalmente...10 kV  entre20  kV . ^{[ 21 ]} Las líneas de distribución primaria transportan esta energía de media tensión a los transformadores de distribución ubicados cerca de las instalaciones del cliente. Los transformadores de distribución reducen nuevamente la tensión a la tensión de utilización . Los clientes que demandan una cantidad de energía mucho mayor pueden conectarse directamente al nivel de distribución primaria o al nivel de subtransmisión . ^{[ 22 ]}

Las redes de distribución se dividen en dos tipos: radiales o en red. ^{[ 23 ]}

En las ciudades y pueblos de Norteamérica, la red eléctrica suele seguir el diseño clásico de alimentación radial . Una subestación recibe energía de la red de transmisión, la cual se reduce mediante un transformador y se envía a una barra colectora desde la cual se ramifican alimentadores en todas direcciones por el territorio. Estos alimentadores transportan energía trifásica y suelen discurrir por las calles principales cercanas a la subestación. A medida que aumenta la distancia desde la subestación, la ramificación continúa con ramales más pequeños que se extienden para cubrir las áreas no cubiertas por los alimentadores. Esta estructura ramificada se extiende desde la subestación, pero, por motivos de fiabilidad, suele incluir al menos una conexión de respaldo sin usar a una subestación cercana. Esta conexión se puede activar en caso de emergencia, de modo que una parte del área de servicio de una subestación pueda ser alimentada alternativamente por otra subestación.

El almacenamiento de energía en la red (también llamado almacenamiento de energía a gran escala ) es un conjunto de métodos utilizados para almacenar energía a gran escala dentro de una red eléctrica . La energía eléctrica se almacena en momentos en que la electricidad es abundante y barata (especialmente la proveniente de fuentes de energía intermitentes como la energía renovable eólica , mareomotriz y solar ) o cuando la demanda es baja, y posteriormente se genera energía cuando la demanda es alta y los precios de la electricidad tienden a ser más elevados.

A partir de 2020La forma más importante de almacenamiento de energía en la red es la energía hidroeléctrica represada , que incluye tanto la generación hidroeléctrica convencional como la energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo .

Los avances en el almacenamiento de energía en baterías han permitido que proyectos comercialmente viables almacenen energía durante los períodos de máxima producción y la liberen durante los períodos de máxima demanda, y para su uso cuando la producción cae inesperadamente, dando tiempo a que se pongan en marcha los recursos de respuesta más lenta.

Dos alternativas al almacenamiento en la red son el uso de centrales eléctricas de punta para cubrir los déficits de suministro y la gestión de la demanda para desplazar la carga a otros momentos.

La demanda, o carga, en una red eléctrica es la cantidad total de energía eléctrica que consumen los usuarios de la red.

La gráfica de la demanda a lo largo del tiempo se denomina curva de demanda .

La carga base es la carga mínima en la red durante un período determinado, mientras que la demanda máxima es la carga máxima. Históricamente, la carga base se cubría comúnmente con equipos relativamente económicos de operar, que funcionaban de forma continua durante semanas o meses, pero a nivel mundial esto es cada vez menos frecuente. Los requerimientos adicionales de demanda máxima a veces se generan mediante costosas centrales de punta , generadores optimizados para entrar en funcionamiento rápidamente, pero estas también son cada vez menos comunes.

Sin embargo, si la demanda de electricidad excede la capacidad de una red eléctrica local, causará problemas de seguridad como sobrecalentamiento. ^{[ 24 ]}

Las redes eléctricas están diseñadas para suministrar electricidad a sus clientes con voltajes prácticamente constantes. Esto debe lograrse con una demanda variable, cargas reactivas variables e incluso cargas no lineales, con electricidad suministrada por generadores y equipos de distribución y transmisión que no son perfectamente fiables. ^{[ 25 ]} A menudo, las redes utilizan cambiadores de tomas en transformadores cercanos a los consumidores para ajustar el voltaje y mantenerlo dentro de las especificaciones.

En una red síncrona, todos los generadores deben funcionar a la misma frecuencia y mantenerse prácticamente en fase entre sí y con la red. La generación y el consumo deben estar equilibrados en toda la red, ya que la energía se consume a medida que se produce. En el caso de los generadores rotativos, un regulador local controla el par motor, manteniendo una velocidad de rotación casi constante ante los cambios de carga. La energía se almacena a corto plazo gracias a la energía cinética rotacional de los generadores.

Aunque la velocidad se mantiene prácticamente constante, las pequeñas desviaciones de la frecuencia nominal del sistema son cruciales para la regulación de los generadores individuales y sirven para evaluar el equilibrio de la red en su conjunto. Cuando la red tiene poca carga, la frecuencia supera la nominal, lo que los sistemas de control automático de generación (AGC) interpretan como una señal de que los generadores deben reducir su producción. Por el contrario, cuando la red tiene mucha carga, la frecuencia disminuye de forma natural y los reguladores ajustan los generadores para aumentar su potencia ( control de velocidad de caída ). Cuando los generadores tienen ajustes idénticos de control de velocidad de caída, se garantiza que varios generadores en paralelo con los mismos ajustes compartan la carga proporcionalmente a su potencia nominal.

Además, suele existir un control centralizado que puede modificar los parámetros de los sistemas AGC en escalas de tiempo de un minuto o más para ajustar aún más los flujos de la red regional y la frecuencia de funcionamiento de la red eléctrica.

A efectos de cronometraje, se permitirá que la frecuencia nominal varíe a corto plazo, pero se ajustará para evitar que los relojes conectados a la red eléctrica ganen o pierdan tiempo de forma significativa a lo largo de un período completo de 24 horas.

Las redes vecinas que no están conectadas directamente casi siempre están desfasadas entre sí. En su lugar, se utilizan líneas de corriente continua de alta tensión o transformadores de frecuencia variable , que permiten que dos redes síncronas desfasadas compartan energía.

La suma de las potencias máximas de salida ( capacidad nominal ) de los generadores conectados a una red eléctrica podría considerarse como la capacidad de la red.

Sin embargo, en la práctica, nunca funcionan a máxima potencia simultáneamente. Normalmente, algunos generadores se mantienen en funcionamiento a potencias de salida más bajas ( reserva rotatoria ) para hacer frente a fallos y variaciones en la demanda. Además, los generadores pueden estar fuera de servicio por mantenimiento u otros motivos, como la disponibilidad de fuentes de energía (combustible, agua, viento, sol, etc.) o restricciones de contaminación.

La capacidad firme es la potencia máxima de salida de una red que está disponible de inmediato durante un período de tiempo determinado, y es una cifra mucho más útil.

La mayoría de los códigos de red especifican que la carga se distribuye entre los generadores según su orden de mérito , de acuerdo con su costo marginal (es decir, primero el más barato) y, en ocasiones, con su impacto ambiental. Por lo tanto, los proveedores de electricidad barata tienden a operar a plena capacidad casi todo el tiempo, y los productores más caros solo operan cuando es necesario.

Una bajada de tensión es una caída intencional o no intencional de la tensión en un sistema de suministro eléctrico . Las bajadas de tensión intencionales se utilizan para reducir la carga en caso de emergencia. ^{[ 26 ]} La reducción dura minutos u horas, a diferencia de una caída de tensión (o descenso) de corta duración. El término bajada de tensión proviene de la atenuación que experimenta la iluminación incandescente cuando la tensión disminuye. Una reducción de tensión puede ser consecuencia de una interrupción en la red eléctrica o, en ocasiones, puede imponerse para reducir la carga y evitar un apagón . ^{[ 27 ]}

Un apagón (también llamado corte de energía , interrupción del suministro eléctrico , apagón o fallo eléctrico ) es una pérdida de energía eléctrica en un área determinada.

Los cortes de energía pueden ser causados ​​por fallas en las centrales eléctricas, daños en las líneas de transmisión eléctrica, subestaciones u otras partes del sistema de distribución , un cortocircuito , una falla en cascada , el funcionamiento de fusibles o disyuntores y errores humanos.

Los cortes de energía son especialmente críticos en lugares donde el medio ambiente y la seguridad pública están en riesgo. Instituciones como hospitales , plantas de tratamiento de aguas residuales , minas , refugios y similares suelen contar con fuentes de energía de respaldo, como generadores de reserva , que se activan automáticamente cuando se interrumpe el suministro eléctrico. Otros sistemas críticos, como las telecomunicaciones , también requieren energía de emergencia. La sala de baterías de una central telefónica suele tener conjuntos de baterías de plomo-ácido como respaldo y una toma para conectar un generador durante períodos prolongados de apagón.

Los sistemas de generación y transmisión de electricidad no siempre satisfacen la demanda máxima, es decir, la mayor cantidad de electricidad que requieren todos los clientes de una región determinada. En estos casos, es necesario reducir la demanda general, ya sea desconectando el suministro a algunos dispositivos o disminuyendo la tensión ( cortes de energía ), para evitar interrupciones incontroladas del servicio, como apagones generalizados o daños en los equipos. Las compañías eléctricas pueden imponer reducciones de carga en las áreas de servicio mediante cortes de energía selectivos, cortes rotativos o acuerdos con consumidores industriales de alto consumo para desconectar sus equipos en momentos de máxima demanda general del sistema.

Un arranque en negro es el proceso de restablecer el funcionamiento de una central eléctrica o parte de una red eléctrica sin depender de la red externa de transmisión de energía eléctrica para recuperarse de una interrupción total o parcial. ^{[ 28 ]}

Normalmente, la energía eléctrica que se utiliza en la planta proviene de sus propios generadores. Si todos los generadores principales se apagan, la energía para el servicio de la planta se obtiene de la red eléctrica a través de la línea de transmisión de la planta. Sin embargo, durante un apagón generalizado, no se dispone de energía de la red externa. En ausencia de energía de la red, es necesario realizar un arranque en negro para restablecer el funcionamiento de la red eléctrica.

Para proporcionar un arranque en negro, algunas centrales eléctricas cuentan con pequeños generadores diésel , normalmente denominados generadores diésel de arranque en negro (BSDG), que pueden utilizarse para arrancar generadores más grandes (de varios megavatios de capacidad), los cuales, a su vez, pueden arrancar los generadores principales de la central. Las centrales generadoras que utilizan turbinas de vapor requieren una potencia de servicio de hasta el 10 % de su capacidad para las bombas de agua de alimentación de la caldera , los sopladores de aire de combustión de tiro forzado de la caldera y la preparación del combustible. No es rentable proporcionar una capacidad de reserva tan grande en cada central, por lo que la potencia de arranque en negro debe suministrarse a través de líneas de interconexión designadas desde otra central. A menudo, las centrales hidroeléctricas se designan como fuentes de arranque en negro para restablecer las interconexiones de la red. Una central hidroeléctrica necesita muy poca potencia inicial para arrancar (solo la suficiente para abrir las compuertas de entrada y proporcionar corriente de excitación a las bobinas de campo del generador), y puede poner en línea un gran bloque de potencia muy rápidamente para permitir el arranque de centrales de combustibles fósiles o nucleares. Ciertos tipos de turbinas de combustión pueden configurarse para el arranque en negro, lo que proporciona otra opción en lugares sin centrales hidroeléctricas adecuadas. ^{[ 29 ]} En 2017, una empresa de servicios públicos del sur de California demostró con éxito el uso de un sistema de almacenamiento de energía en baterías para proporcionar un arranque en negro, poniendo en marcha una turbina de gas de ciclo combinado desde un estado de inactividad. ^{[ 30 ]}

A pesar de los novedosos acuerdos institucionales y diseños de red, las infraestructuras de suministro eléctrico están envejeciendo en todo el mundo desarrollado. Entre los factores que contribuyen a ello se incluyen:

• Equipos obsoletos: los equipos más antiguos tienen mayores tasas de fallas , lo que provoca interrupciones en el servicio al cliente y afecta a la economía y la sociedad; además, los activos e instalaciones más antiguos conllevan mayores costos de inspección y mantenimiento , así como mayores costos de reparación y restauración .
• Diseño obsoleto del sistema: las zonas más antiguas requieren emplazamientos adicionales para subestaciones y derechos de paso que no se pueden obtener en la zona actual, por lo que se ven obligadas a utilizar instalaciones existentes e insuficientes.
• Ingeniería obsoleta: las herramientas tradicionales para la planificación y la ingeniería del suministro de energía son ineficaces para abordar los problemas actuales de los equipos envejecidos, los diseños de sistemas obsoletos y los niveles de carga modernos y desregulados.
• Los antiguos valores culturales —la planificación , la ingeniería y la operación de sistemas mediante conceptos y procedimientos que funcionaban en la industria integrada verticalmente— exacerban el problema en una industria desregulada. ^{[ 31 ]}

La gestión de la demanda es una técnica de administración de la red eléctrica en la que se solicita o incentiva a los clientes minoristas o mayoristas, ya sea electrónicamente o manualmente, a reducir su carga. Actualmente, los operadores de la red de transmisión utilizan la gestión de la demanda para solicitar la reducción de carga a los grandes consumidores de energía, como las plantas industriales. ^{[ 32 ]} Tecnologías como la medición inteligente pueden incentivar a los clientes a usar energía cuando la electricidad es abundante, al permitir precios variables.

La resistencia a la generación distribuida entre los operadores de la red puede alentar a los proveedores a abandonar la red y, en su lugar, distribuir energía a áreas geográficas más pequeñas. ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]}

El Rocky Mountain Institute ^{[ 45 ]} y otros estudios ^{[ 46 ]} prevén una deserción generalizada de la red eléctrica. Sin embargo, la deserción de la red podría ser menos probable en lugares como Alemania, que tienen una mayor demanda de energía en invierno. ^{[ 47 ]}