Conceptos Básicos de Redes Eléctricas – ¿Qué necesito saber?

La red eléctrica es la base fundamental de nuestro mundo tecnológico. No solo distribuye la energía necesaria para el funcionamiento de los equipos electrónicos  en nuestros hogares, centros de proceso de datos, industrias e incluso lugares remotos donde están instaladas las antenas de telefonía móvil. Además, las torres y canalizaciones eléctricas suelen tener fibras ópticas utilizadas por los operadores para la comunicación de datos en medias y largas distancias.

Actualmente la red eléctrica está teniendo una especie de revolución con el despliegue de la tecnología “SmartGrid”. El coste de producción de la energía eléctrica es muy variable incluso dependiendo de la hora del día. Por la noche el coste es muy bajo y “sobra” electricidad mientras que, durante el día, el coste es muy superior. Sin embargo el control del consumo suele ser una persona que revisa el medidor eléctrico cada uno o dos meses.

La tecnología SmartGrid viene a solucionar este gran desajuste entre el control de la producción de energía eléctrica y el control del consumo. Gracias al impresionante desarrollo de las redes de datos ahora es posible tener una conexión de datos en cada punto de suministro de energía eléctrica. Los equipos de medida se denominan ahora “SmartMeters” los cuales realizan un seguimiento del consumo individualizado en tiempo real.

Repasaremos a continuación los conceptos más importantes de las redes eléctricas.

Arquitectura de una red eléctrica

Arquitectura red electrica

Generación de electricidad

Comprenden las centrales que generan la energía eléctrica y la suministran a la red de transporte en alta tensión. Los distintos tipos son los siguientes:

  • Renovables: incluye la energía hidroeléctrica, eólica y solar. Son las más flexibles para adaptarse a las necesidades de producción, son inagotables y baratas. El único inconveniente es que dependen de la climatología.
  • Térmicas: utilizan como combustible carbón (el más contaminante), diésel o gas (el menos contaminante). Son bastante flexibles para adaptarse a las necesidades de producción. Los inconvenientes son la contaminación y un precio del combustible bastante cambiante.
  • Nuclear: No es nada flexible y necesita de varios días para aumentar o reducir su producción. Por lo tanto se adapta mal a las variaciones en el consumo. No es contaminante y es bastante segura aunque los pocos accidentes que han ocurrido han sido muy graves.

Normalmente un país suele tener centrales de distintos tipos ya que todas tienen ventajas e inconvenientes.

Transformador

Es un elemento básico en una red eléctrica. Adapta la tensión o el voltaje al más adecuado en cada punto de la red con una perdida mínima de la energía. Los de alta tensión son tan grandes que se instalan normalmente en el exterior. Los de media y baja tensión son más pequeños y se suelen instalar en el interior de edificios o en pequeñas construcciones a veces subterráneas. En algunos casos también se instalan en el exterior.

Transformadores

Red de alta tensión

Es la mejora manera de transportar la energía eléctrica. La tensión o voltaje es de cientos de miles de voltios. Aumentando el voltaje se reduce la corriente en la misma proporción y las perdidas en los cables son proporcionales solo a la corriente eléctrica. Diez veces más de voltaje son diez veces menos de corriente y diez veces menos de perdidas.

La red de alta tensión es una malla con varios caminos para llegar de un punto a otro. Es posible interrumpir un camino por un fallo o por mantenimiento sin interrumpir el suministro. Entre un punto y otro hay varios caminos posibles.

La tendencia actual es unir las redes de alta tensión de varios países contiguos por lo que la energía eléctrica se puede utilizar a miles de kilómetros de donde se produce. El objetivo de esta unión es siempre utilizar la energía de las centrales que la producen más barato.

Red de distribución

La red de alta tensión transporta de una manera eficiente la energía eléctrica pero es claramente peligrosa para ser manejada por los usuarios y para los edificios cercanos a los cables que la transportan. Por lo tanto, en las afueras de las poblaciones, se instalan centrales de transformación que reducen el voltaje a 10.000 voltios. A esto se denomina media tensión y permite su distribución de una manera segura incluso con cables subterráneos. Algunas industrias se conectan directamente a esta red de distribución permitiendo el uso de maquinaria eléctrica pesada.

Para la inmensa mayoría de los usuarios es necesario una segunda transformación a 220 o 120 voltios dependiendo del país. A esto se le denomina baja tensión y es la tensión de suministra habitual para la inmensa mayoría de los usuarios. Para reducir las perdidas los transformadores de media a baja tensión suelen estar muy cerca de los usuarios finales. Normalmente se realiza una pequeña construcción preferiblemente subterránea donde se instalan estos transformadores. En algunos casos no es posible esta construcción y se instalan en lo alto de una torre.

Aunque el flujo de energía eléctrica se mide en muchos puntos de la red el punto de medida más importante es el que está en el domicilio del usuario final. Este punto de medida es el que se utiliza para la facturación y la compañía distribuidora es la encargada de su gestión y mantenimiento. Además realiza la agregación de todas las medidas para obtener el consumo total. Este consumo total debe ser similar al consumo recibido de la red de alta tensión. Si esto no es así indica la existencia de problemas (fugas, fraude, equipos de medida estropeados, etc.). Este punto de medida está evolucionando a la tecnología SmartMeter.

Gestión de una red eléctrica

Un dato clave en una red eléctrica es que la energía no se puede almacenar. Se debe producir la misma energía que se consume, ni más ni menos. Como el consumo no se puede controlar no queda más remedio que controlar la producción que se debe ajustar perfectamente al consumo en tiempo real.

La frecuencia en una red eléctrica suele ser 50Hz o 60Hz dependiendo del país. La decisión entre 50Hz y 60 Hz se ha tomado por razones históricas y normalmente se ha tenido en cuenta los países del entorno. Una frecuencia diferente impide el intercambio de energía eléctrica entre dos países.

El gestor de la red controla la frecuencia de la red y la compara con una frecuencia patrón que, en muchos países, se obtiene de un reloj atómico. Si la frecuencia se acelera esto indica que hay demasiada producción por lo que es necesario “apagar” alguna central (o una parte de ella). Si la frecuencia se reduce esto indica que hay poca producción y es necesario “encender” alguna central (o una parte de ella). Normalmente estos encendidos y apagados están planificados ya que el patrón de consumo suele ser similar al de día anterior. Aun así el gestor de la red debe estar preparado para aumentos o disminuciones de consumo inesperados.

Los criterios del gestor suelen ser los siguiente:

  • Las centrales nucleares nunca paran y su producción se adapta a las variaciones de consumo a largo plazo.
  • Las centrales solares y eólicas solo paran en casos extremos ya que son las más baratas.
  • La centrales térmicas son las más caras y contaminantes por lo que es mejor utilizarlas lo menos posible. Aun así tardan varias horas en arrancar o parar por lo que no valen para cambios imprevistos.
  • Las centrales hidroeléctricas son las más flexibles y arrancan o paran sus turbinas en menos de una hora. En algunos casos son reversibles gastando la energía sobrante enviando el agua en sentido contrario.
  • Como último recurso, cuando todo falla, se puede cortar la distribución a determinados usuarios industriales o a determinadas zonas.

El gestor de la red suele ser un ente público que tiene el control total para realizar todas estas acciones.

SmartMeter

Son la base para la tecnología SmartGrid. Controlan y registran el consumo eléctrico y esa información es accesible en tiempo real tanto por la compañía distribuidora como por el propio usuario. Ambos pueden consultar en cualquier momento el consumo tanto instantáneo como histórico. También contempla la instalación por el usuario de fuentes de energía renovables como placas solares midiendo si el usuario está gastando o produciendo energía además de la calidad de la energía producida. Este dato es muy importante ya que, si el usuario está produciendo electricidad con equipos de mala calidad, puede producir problemas a los otros usuarios.

SmartMeters

Las técnicas utilizadas para conectarse con el servidor en la compañía distribuidora son principalmente dos:

  • Utilizando las redes móviles: La compañía distribuidora contrata con un operador móvil la conexión de todos sus SmartMeters. Cada uno tiene un módem (normalmente solo 2G) y una tarjeta SIM. El operador móvil suele ofrecer un precio muy competitivo ya que hablamos de un contrato que puede incluir millones de conexiones y el tráfico generado no es muy grande.
  • Utilizando la propia red: Cada SmartMeter se conecta utilizando la tecnología PLC con un equipo denominado concentrador situado junto al transformador de media a baja tensión. Muchas compañías distribuidoras tienen una red TCP/IP propia que conecta todos los emplazamientos y que llega hasta los transformadores de media-baja tensión mediante fibras ópticas que se despliegan junto a los cables eléctricos.

SmartGrid

La tecnología SmartGrid permitirá dos cambios substanciales en la red eléctrica:

  • Los usuarios pueden ser a la vez pequeños productores a la vez que consumidores. Instalando unas placas solares puede producir electricidad durante el día y consumirla durante la noche. La compañía eléctrica pagaría por los kilovatios producidos restándolos de los kilovatios consumidos. A esto se le denomina balance neto y es un elemento fundamental para el fomento de las energías renovables.
  • Nuevas tarifas eléctricas más adaptadas al coste real de la energía haciendo que los usuarios adapten su consumo consumiendo más cuando esta “sobra” y es barata, y consumiendo menos cuando “falta” y es más cara. Por ejemplo, en los países con mucha energía eólica, la electricidad tiene un coste muy bajo cuando hay mucho viento. Los SmartMeters permitirán aplicar un descuento al consumo realizado esos días. Eso tiene una gran importancia para el desarrollo de las energías renovables que son muy baratas pero dependen en gran medida de la meteorología.

Para cumplir con estos dos requisitos es necesario un control muy preciso en tiempo real de los flujos de energía. Los SmartMeters son los encargados de este control.