Minired

Las redes eléctricas de muchos países desarrollados de altos ingresos comenzaron como minirredes. Estos sistemas eléctricos aislados se conectaron e integraron posteriormente en una red más grande. ^{[ 11 ]} Esta primera generación de minirredes fue fundamental para el desarrollo inicial y la industrialización de la mayoría de las economías modernas, incluidas Brasil, China, Dinamarca, Italia, los Países Bajos, España, Suecia, el Reino Unido y Estados Unidos. ^{[ 12 ]} Los sistemas de minirredes introducidos a finales del siglo XIX y principios del XX pueden describirse como la primera generación de minirredes. A partir de la década de 1980 y con un aumento progresivo durante la década de 1990 y principios de la de 2000, se desplegó una segunda generación de minirredes, que sumaban decenas de miles, en muchos países de bajos ingresos. ^{[ 11 ]} Estos sistemas suelen ser pequeños y aislados, alimentados por diésel o energía hidroeléctrica, y construidos por comunidades locales o emprendedores principalmente para proporcionar acceso a la electricidad a los hogares rurales, especialmente en áreas que aún no contaban con servicio de la red principal. Muchos de estos sistemas fueron reemplazados por las redes nacionales. Algunas de las que aún existen son ahora candidatas ideales para la hibridación con sistemas solares fotovoltaicos (FV) para reducir el coste del combustible.

En los últimos años, ha surgido una tercera generación de minirredes solares. Estas minirredes, en su mayoría híbridas fotovoltaicas , son propiedad de empresas privadas que las operan y que aprovechan tecnologías transformadoras y estrategias innovadoras para construir carteras de minirredes en lugar de proyectos aislados. La minirred típica de tercera generación está preparada para la interconexión con la red principal, utiliza baterías para el almacenamiento y emplea sistemas de gestión remota y contadores inteligentes de prepago. ^{[ 4 ]} Esta minirred de tercera generación también incorpora electrodomésticos de bajo consumo para usos productivos de la electricidad en su modelo de negocio. Estas minirredes operan en entornos comerciales más favorables, aprovechando las reducciones de costos en las últimas tecnologías de componentes de minirredes y las regulaciones desarrolladas específicamente para la inversión del sector privado.

Muchas comunidades rurales permanecen aisladas de las redes tradicionales más grandes debido a limitaciones geográficas y económicas. ^{[ 5 ]} La electrificación de la población rural mundial sin acceso a la red sigue siendo una tarea importante para muchos países en desarrollo y desarrollados, y según la Agencia Internacional de Energía en el Informe Perspectivas Energéticas Mundiales de 2013 , las minirredes representan la forma más rentable de proporcionar acceso universal a la electricidad a estas poblaciones. ^{[ 13 ] [ 5 ]} Debido a las nuevas innovaciones tecnológicas que han resultado en la disminución de los costos tanto para las minirredes como para las fuentes de generación de energía, específicamente la energía solar y eólica, las minirredes tienen el potencial de electrificar áreas remotas que de otro modo permanecerían fuera de una conexión a la red. ^{[ 14 ]} Las minirredes son una solución rentable y oportuna para áreas más aisladas en las que no está disponible la conexión a la red eléctrica principal, y representan una opción práctica para satisfacer la demanda de energía en África subsahariana, Asia meridional y oriental, y los pequeños Estados insulares en desarrollo. ^{[ 14 ]}

Millones de personas siguen sin acceso a la electricidad hoy en día, y los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU comprometen a la comunidad global a proporcionar una solución. ^{[ 15 ]} El mapa de la derecha muestra la disparidad energética entre países desarrollados como Estados Unidos, China y Europa, mientras que Sudamérica, África y el Sudeste Asiático todavía tienen muchas comunidades que carecen de energía confiable, sostenible y asequible. Las minirredes se consideran actualmente una de las soluciones más efectivas para llevar energía a las poblaciones rurales donde la demanda energética es tal que los sistemas individuales autónomos, como las nanorredes, resultan poco prácticos, pero donde la población es lo suficientemente grande como para requerir un sistema de red de mayor tamaño. ^{[ 3 ]} Dado que una red debe equilibrar la oferta de energía con la demanda, el mayor tamaño y la flexibilidad de la minirred permiten una energía más segura y asequible. ^{[ 16 ]}

Con la rápida disminución del costo de la energía solar fotovoltaica , existe una fuerte y creciente tendencia hacia el uso de electricidad solar en minirredes. Según un estudio de 2022 del ESMAP del Banco Mundial , aproximadamente el 51 por ciento de las minirredes instaladas son solares o híbridas solares (generalmente solar + diésel), seguidas de las alimentadas solo por energía hidroeléctrica (35%), combustibles fósiles (10%) y otras tecnologías de generación como la eólica (5%). La tendencia se está acelerando: entre 2016 y 2020 se construyeron más de 10 veces más minirredes solares por año que minirredes de combustibles fósiles. Casi el 99 por ciento de todas las minirredes planificadas son solares o híbridas solares. ^{[ 4 ]} Las minirredes híbridas solares incluyen una o más fuentes de generación de electricidad, generalmente un generador diésel o, a veces, un generador alimentado por combustible de biomasa para proporcionar una fuente de electricidad gestionable en caso de períodos prolongados de nubosidad. La mayoría de las minirredes solares están hibridadas con un generador diésel que proporciona energía de respaldo en caso de períodos prolongados de nubosidad. ^{[ 17 ]} El generador diésel normalmente genera menos del 10 % de la energía consumida anualmente por los clientes de la minirred. En áreas donde abundan los residuos agrícolas, como la cáscara de arroz o el estiércol animal, los generadores de biomasa o biogás pueden reemplazar la generación de respaldo diésel. ^{[ 18 ]}

En los lugares adecuados, la energía hidroeléctrica a pequeña escala (micro o minihidroeléctrica) proporciona una generación de electricidad rentable las 24 horas del día . En zonas donde la velocidad del viento es constante y elevada o la luz solar es muy escasa estacionalmente, se utiliza la energía eólica para alimentar minirredes, a menudo en una configuración híbrida con energía solar, diésel o ambas.

Un componente vital de un sistema eléctrico de minirred es una fuente de generación de energía confiable y localizada. La generación tradicional de minirredes para áreas remotas provenía de alternadores con motores diésel , que implicaban altos costos de operación, baja eficiencia y alto mantenimiento. Para obtener la confiabilidad de una red alimentada con combustibles fósiles con mayor sostenibilidad, se pueden utilizar sistemas de energía híbridos para integrar tecnologías de energía renovable con generadores diésel, baterías e inversores. ^{[ 19 ]} La principal preocupación con la generación es la fluctuación en la demanda de carga que impone requisitos de potencia variables al sistema de generación. ^{[ 20 ]} Estas fluctuaciones pueden variar a lo largo de un solo día, de un día a otro, o incluso en escalas de semanas a meses, lo que requiere una generación de minirred flexible. En el caso de una generación de energía limitada sin una fuente de almacenamiento de energía, las cargas máximas pueden demandar más energía de la que la generación de la minirred es capaz de suministrar, lo que resulta en cortes parciales o totales . ^{[ 21 ]}

En las minirredes de energía renovable, el almacenamiento desempeña un papel crucial al equilibrar la intermitencia de fuentes como la solar y la eólica, asegurando un suministro de electricidad constante y fiable, especialmente durante los períodos de baja generación o alta demanda. La electricidad en las minirredes de tercera generación se almacena en baterías electroquímicas. Antes de 2018, la mayoría de las minirredes se instalaban con baterías de plomo-ácido; sin embargo, la rápida disminución de los costos y la mayor vida útil y rendimiento de las baterías de iones de litio han llevado a que la mayoría de las nuevas minirredes utilicen este tipo de baterías. En una encuesta del ESMAP del Banco Mundial a 211 minirredes en proceso de puesta en marcha en 2020 y 2021, el 69 % utilizaba baterías de iones de litio y el 31 % baterías de plomo-ácido. ^{[ 4 ]}

En la mayoría de las minirredes, los inversores convierten la electricidad de corriente continua (CC) almacenada en baterías y producida por paneles solares en energía de corriente alterna (CA) que alimenta los electrodomésticos utilizados en hogares y negocios.

En algunas comunidades pequeñas con baja demanda energética, se utilizan minirredes de malla de CC. Estas redes —también conocidas como «redes delgadas»— distribuyen electricidad de CC para iluminación, aparatos electrónicos y pequeños electrodomésticos como ventiladores e incluso refrigeradores eficientes o bicitaxis eléctricos. Consisten en grupos de sistemas solares domésticos compuestos por paneles solares instalados en las viviendas y conectados en una red de malla. Controladores especializados permiten compartir los excedentes y los hogares pueden actualizar sus electrodomésticos a corriente alterna (CA) mediante la compra de un inversor.

Los sistemas de gestión de energía (EMS) optimizan el equilibrio entre el funcionamiento del generador diésel y el uso del almacenamiento de energía, teniendo en cuenta la carga prevista y las oportunidades futuras de carga solar. Muchas minirredes, incluso en zonas remotas, cuentan con capacidades de monitorización remota a través de operadores de telefonía móvil que supervisan la producción y el consumo de energía, el estado de carga de la batería y los niveles de voltaje, y suben la información a internet varias veces por hora. La monitorización remota puede ayudar a los operadores a identificar y solucionar pequeños problemas a tiempo, antes de que se agraven.

Un sistema de distribución de minirredes transporta la energía producida por la fuente de generación hasta los usuarios finales. Consta de postes y cables de distribución de baja tensión (<1000 V), así como de equipos de protección necesarios para una distribución de energía segura y eficaz. Si un alimentador en el sistema de distribución tiene una longitud superior a aproximadamente 1  km, generalmente es necesario utilizar transformadores para elevar la tensión eléctrica a media tensión (35 kV o inferior) y reducir las pérdidas óhmicas. Según los requisitos de carga, un sistema de distribución puede ser de corriente alterna monofásica o trifásica , o de corriente continua . ^{[ 22 ]}

Si existe la posibilidad de que algún día se conecte a la red eléctrica principal, la red de distribución de la minirred suele construirse según los estándares de las compañías eléctricas para facilitar su integración a la red nacional. Si la minirred permanecerá desconectada de la red principal (por ejemplo, si se encuentra en una isla alejada de la costa), las redes de distribución a veces se construyen con estándares inferiores a los de la red nacional, pero que aun así garantizan la seguridad y la eficiencia.

La electricidad se vende a los clientes mediante contadores de prepago o pospago. Los contadores de prepago son más comunes y funcionan como los planes de telefonía prepago, desconectando automáticamente a los clientes cuando se consume la cantidad de electricidad contratada. Dado que la electricidad consumida durante las horas de sol es más barata de producir que la que debe almacenarse en baterías o generarse con un generador diésel, los sistemas de medición de minirredes a veces ofrecen tarifas más bajas para el consumo diurno o la posibilidad de restringir el suministro a los clientes de menor prioridad en caso de escasez de energía.

El uso de un cuadro eléctrico prefabricado (a veces denominado cuadro listo para instalar) con algunos interruptores y enchufes puede eliminar los costes del cableado interno de la vivienda.

La tecnología empleada en las minirredes ofrece diversas ventajas. Las minirredes son relativamente rápidas y fáciles de implementar en zonas sin electricidad. También pueden utilizarse para mejorar las redes eléctricas existentes que sean ineficaces o poco fiables, proporcionando energía adicional o sustituyéndolas por completo. ^{[ 23 ]} Las minirredes también son más eficientes porque pueden suministrar una carga baja durante la noche, cuando se necesita menos electricidad. ^{[ 24 ]} A diferencia de la generación de energía convencional, las minirredes reducen la pérdida de energía durante la noche, cuando la comunidad requiere menos energía. Los sistemas eléctricos de mayor tamaño, como los generadores diésel, no pueden ofrecer esto, ya que son ineficientes a bajas cargas y, con frecuencia, siguen funcionando a cargas más altas independientemente de la cantidad de electricidad necesaria. El uso de minirredes también disminuye el tiempo que los generadores funcionan a bajas cargas, aumentando así la eficiencia de todo el sistema. ^{[ 23 ]}

Una ventaja adicional de las minirredes es que no requieren una fuente de combustible tradicional como muchas redes eléctricas de mayor escala. Esto significa que se pueden implementar fácilmente en áreas sin acceso a diésel u otros combustibles fósiles. ^{[ 24 ]} Esto reduce los costos operativos y la dependencia de los precios del combustible, que suelen fluctuar. ^{[ 23 ]} Las minirredes también requieren menos mantenimiento que las redes eléctricas de mayor tamaño. Dado que reducen las horas de uso de los generadores diésel a bajas cargas, estos duran más y no necesitan ser reemplazados con tanta frecuencia. Debido a las zonas rurales donde se suelen utilizar las minirredes, a menudo hay poco acceso a suministros o técnicos si se necesita mantenimiento del sistema. ^{[ 23 ]}

Las minirredes pueden proporcionar importantes beneficios financieros en los esfuerzos de electrificación rural en los países en desarrollo. En primer lugar, el despliegue de minirredes en áreas rurales sin electrificar evita los altos costos y los desafíos logísticos asociados con la extensión de la infraestructura de la red nacional a estas regiones. Esto no solo hace que la electrificación sea más viable financieramente, sino que también acelera el ritmo de la electrificación rural, contribuyendo a objetivos más amplios de desarrollo económico. En segundo lugar, el uso de fuentes de energía renovables como la solar puede reducir el costo nivelado de la electricidad, al tiempo que reduce la dependencia de los combustibles fósiles y las fluctuaciones de los precios mundiales de la energía. En tercer lugar, al proporcionar electricidad confiable, las minirredes estimulan el crecimiento económico en las áreas rurales, fomentando las pequeñas empresas e industrias, lo que a su vez puede aumentar los niveles de ingresos locales. ^{[ 23 ]} Por ejemplo, un estudio sobre minirredes solares en Kenia y Nigeria mostró un aumento significativo en la productividad y la actividad económica. El ingreso medio de los miembros de la comunidad rural keniana se cuadruplicó, y los establecimientos comerciales reportaron un aumento en las horas de operación, la expansión de productos y servicios y la contratación de más empleados. Además, las minirredes propiciaron un cambio de fuentes de energía peligrosas como las lámparas de queroseno a una electricidad más segura y fiable, lo que mejoró aún más la estabilidad económica y la salud en estas comunidades. ^{[ 1 ]} Las minirredes también permiten distribuir el almacenamiento y la generación de electricidad entre muchos usuarios, lo que puede reducir el coste en comparación con los sistemas solares domésticos, donde los excedentes de generación o almacenamiento no se pueden compartir con las casas vecinas. ^{[ 23 ]}

Las minirredes son mucho más respetuosas con el medio ambiente que otros tipos de redes. Al reducir la necesidad de generadores diésel, las emisiones de gases de efecto invernadero se reducen considerablemente. Esto también mejora la calidad del aire y la contaminación acústica en las zonas donde se utilizan las minirredes. ^{[ 23 ]} El Banco Mundial estima que la implementación a gran escala de 217 000 minirredes para abastecer a quinientos millones de personas para 2030 evitaría la emisión de 1200 millones de toneladas de CO₂ _. [ ^{4 ] La} CMNUCC estima que cada megavatio-hora de electricidad suministrada a los clientes de las minirredes evita la emisión a la atmósfera de entre 0,8 y 2,72 toneladas de dióxido de carbono equivalente . ^{[ 25 ]}

Además de sus ventajas técnicas y económicas, las minirredes también benefician a las personas y comunidades a las que sirven. Para que muchas empresas y organizaciones funcionen, necesitan electricidad eficiente y en buen estado. Las minirredes proporcionan los servicios necesarios para que las empresas prosperen en zonas en desarrollo. ^{[ 23 ]} Esto genera más empleos y un aumento de los ingresos para la comunidad. La mejora del suministro eléctrico también puede beneficiar a la tecnología e instituciones sanitarias de la zona y elevar el nivel de vida. ^{[ 23 ]} Por ejemplo, un estudio realizado en Kenia y Nigeria demostró que las clínicas locales conectadas a minirredes reportaron mejoras significativas en la prestación de servicios, incluyendo una mejor refrigeración para vacunas y medicamentos, y la capacidad de atender a más pacientes con horarios de atención ampliados. Esto no solo mejoró el acceso a la atención médica, sino que también redujo la dependencia de fuentes de energía peligrosas como las lámparas de queroseno, que representan riesgos para la salud. La introducción de minirredes también tuvo un impacto positivo en la educación, con un aumento de la matrícula escolar y una mejora del rendimiento académico gracias a la ampliación de las horas de estudio posible gracias a una iluminación fiable. ^{[ 1 ]}

Además, las minirredes eléctricas permiten más oportunidades para reuniones y eventos sociales, lo que fortalece a la comunidad. La mejora del suministro eléctrico también crea la oportunidad de construir más edificios y expandir la comunidad. ^{[ 23 ]} Adicionalmente, se ha demostrado que las minirredes reducen el tiempo dedicado a tareas domésticas como recolectar agua y combustible para cocinar, lo que beneficia de manera desproporcionada a las mujeres y niñas al liberar tiempo para la educación y otras actividades productivas. Este cambio contribuye a una mayor igualdad de género y empodera a las mujeres con más oportunidades de participación económica y toma de decisiones en sus comunidades. ^{[ 1 ]}

Uno de los principales riesgos técnicos asociados con las minirredes es la incertidumbre de la carga. A menudo es difícil estimar el tamaño, el crecimiento y el cronograma de la carga, lo que puede llevar a que el sistema funcione con menor eficiencia y mayor costo. También es difícil soportar cargas que cambian constantemente en el tiempo, como suele ocurrir cuando se utilizan minirredes. ^{[ 23 ]} También existe un riesgo para la calidad de la energía cuando se utilizan minirredes. La integración de dispositivos fotovoltaicos y baterías puede ser disruptiva para la red existente y puede hacer que se vuelva inestable. ^{[ 23 ]} Otra desventaja técnica del uso de minirredes es que la falla del hardware en una parte de la red podría afectar a todo el sistema. Si una sección de la red se daña, el resto de la red también podría fallar. Este es un riesgo que existe con cualquier tipo de red, sin embargo, las regiones donde se utilizan típicamente las minirredes son áreas rurales pobres con menos acceso a servicios de mantenimiento, por lo que los efectos se exacerban. ^{[ 23 ]} Si bien son útiles para el almacenamiento de energía, las baterías utilizadas en las minirredes también tienen sus propios riesgos. Suelen ser costosas y, a medida que envejecen, influyen considerablemente en la energía que se suministra a la red. Si las baterías no se reemplazan en el momento adecuado, la energía proporcionada por toda la red podría disminuir. ^{[ 23 ]}

Debido a su naturaleza compleja, el uso de minirredes conlleva algunos riesgos organizativos. Para ser efectivas, las minirredes deben contar con modelos de negocio eficaces que respalden sus operaciones. Es necesario un flujo constante de ingresos para mantener el negocio en funcionamiento y seguir suministrando electricidad a los clientes. ^{[ 23 ]} Debido a la lejanía y el subdesarrollo de las zonas donde suelen implementarse las minirredes, resulta difícil transportar suministros y personal cualificado a las áreas donde se necesitan. Esto se complica especialmente durante la instalación del sistema y cuando se requieren reparaciones. ^{[ 23 ]}

La implementación de una minirred en una comunidad requiere una planificación meticulosa y la cooperación entre los residentes y los técnicos que instalan los dispositivos. También es necesaria la comunicación dentro de la comunidad con respecto a las cuotas de energía asignadas. A cada usuario se le suele asignar una cuota de energía para usar durante un período determinado. ^{[ 23 ]} Si algunos usuarios consumen más electricidad de la necesaria, esto genera un déficit para los demás y podría interrumpir todo el sistema. La comunidad debe trabajar en cooperación para que la minirred funcione correctamente. ^{[ 23 ]}

El Objetivo de Desarrollo Sostenible n.º 7 de la ONU ^{[ 29 ]} consiste en garantizar el acceso a energía asequible, fiable, sostenible y moderna para todos para 2030. En 2022, las minirredes proporcionaban electricidad a unos 48 millones de personas en todo el mundo. Se prevé que las minirredes que se están planificando actualmente lleven electricidad a otros 35 millones de personas, principalmente en el África subsahariana. Para lograr el acceso universal a la electricidad en 2030, 490 millones de personas recibirán servicio a un coste mínimo mediante 217 000 minirredes, lo que requerirá una inversión de 127 000 millones de dólares. Con el aumento de las economías de escala, la disminución de los costos de componentes principales como paneles solares y baterías, y el aumento del factor de carga mediante un mayor uso de electricidad durante el día, el Banco Mundial proyecta que el costo de la electricidad de las minirredes puede disminuir de un costo nivelado de electricidad sin subsidio de las mejores minirredes solares híbridas de clase actual de $0.38 por kWh a aproximadamente $0.20 por kWh para 2030. ^{[ 4 ]} El desarrollador de minirredes Husk Power proyecta que es posible una disminución similar en el LCOE, reduciéndolo a $0.20 por kWh para 2030 si la industria de las minirredes puede adoptar modelos de negocio sostenibles a nivel de sitio y cartera con costos, calidad de servicio y despliegue de proyectos que moldeen la demanda. ^{[ 30 ]}

Un estudio de caso realizado en el distrito de Leh, India, demuestra los efectos de las minirredes en la economía. Dado que los costos operativos de las minirredes son menores que los de los generadores diésel e hidroeléctricos, las empresas que las operan pueden generar mayores ingresos. ^{[ 31 ]} Este aumento de ingresos permite a las empresas incrementar los salarios de sus trabajadores. A su vez, los trabajadores pueden gastar más en los negocios locales, lo que impulsa el crecimiento económico. ^{[ 31 ]} Además, las minirredes brindan oportunidades para el crecimiento y la mejora de la economía local. Las empresas pueden ofrecer más y mejores servicios gracias a un mejor suministro eléctrico y expandir sus organizaciones. ^{[ 31 ]}