Científicos trabajan en el modelado de fuentes alternas de energía

Científicos trabajan en el modelado de fuentes alternas de energía
Por Fernando Guzmán en la UNAM Núm. 4, 705

Un grupo de investigadores del Instituto de Ingeniería trabaja en el modelado de fuentes alternas de energía y de dispositivos basados en electrónica de potencia, para su inclusión en grandes sistemas eléctricos en la nación.

Su objetivo es contribuir al aprovechamiento de opciones renovables más baratas (en comparación con las hidráulicas o la geotermia), a la integración global de éstas para diversificar la matriz energética del país y a la disminución de gases de efecto invernadero.

Desde hace años, César Ángeles Camacho y colaboradores realizan estudios del potencial eólico local y desarrollan modelos de viento, aerogeneradores, redes y medios de interconexión.

La electricidad en México, aseguró el investigador, podría ser cien por ciento suministrada por recursos no convencionales (hay miles de kilómetros de costas con corrientes constantes de aire); sin embargo, ahora no podría aprovecharse ni siquiera cinco por ciento de esa capacidad, pues se carece de un sistema robusto para captar y distribuir ese porcentaje.

Pese a su rentabilidad, el insumo eólico en gran escala y el fotovoltaico en pequeña presentan problemas básicos para su integración, como su variabilidad.

Un reto es que los modelos renovables convencionales (hidráulico y geotérmico), cuyos principios de operación se conocen bien, interactúen con fuentes no convencionales (viento y Sol), que no son constantes. Un ejemplo de esa movilidad es que una línea de transmisión conectada a un parque alimentado por ráfagas con cambios bruscos en periodos cortos puede tener crestas y valles en las inyecciones de potencia, las que causarían problemas técnicos de operación. En la Ciudad de México ocurriría lo mismo con una instalación solar fotovoltaica. Aquí, en minutos pasamos de día soleado a nublado y al cesar este aporte local, sería preciso importar energía de otra parte.

Además, con las opciones referidas no puede controlarse ni la generación ni la carga como en un sistema convencional, señaló. Por eso es necesario desarrollar esquemas matemáticos completos de los sistemas de conversión, eólicos, fotovoltaicos y marinos, para predecir su fluctuación y ver cómo interactúan con métodos convencionales de gran escala, como el eléctrico nacional, constituido por miles de subestaciones, millares de kilómetros de líneas y cientos de plantas de generación.

Datos agroclimáticos

El modelado de energías renovables variables y su integración con la red convencional se realiza en el Laboratorio de Electrónica de Potencia del Instituto de Ingeniería, con base en datos agroclimáticos de algunas entidades federativas.

Con apoyo de la UNAM, el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) y empresas, el grupo de Ángeles Camacho ha estudiado la capacidad ventosa de Zacatecas y San Luis Potosí, de los que se han hecho mapas del recurso eólico y de su posible aprovechamiento, de su influencia en las redes y de fenómenos como la ferrorresonancia, capaz de afectar a estas estructuras de abastecimiento y distribución.

Hoy en día trabajan con científicos de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo para evaluar la capacidad de la entidad y gestionan proyectos locales con el Centro Nacional de Control de Energía (Cenace) y la Secretaría de Energía (Sener).

Para darle forma, los universitarios desarrollaron un software. Así, se modela cada uno de los aerogeneradores con sus transformadores y líneas para la integración de un parque eólico con una red eléctrica. “Aún no hemos podido ir de la mano con empresas en su instalación. Sólo modelamos y entregamos el resultado con posibles inyecciones de potencia. En México, por ley, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) tendría que hacer el estudio global, con datos de nuestra infraestructura.”

Como no se ha tenido acceso a datos de la red nacional, las validaciones se han hecho con redes de prueba. De hecho, el grupo del Instituto de Ingeniería utilizó el esquema aplicado en la República para plantear un parque eólico y su inclusión en la red de Chile y se obtuvieron buenos resultados, es decir, se constató que ésta puede soportar la conexión o que ante una variación por alguna alteración (línea fuera de servicio por mantenimiento, por una descarga severa o por un accidente automovilístico), opera de manera normal.

Para la integración de estas fuentes, Ángeles Camacho y colaboradores también diseñan medios de interconexión, pues para inyectar energía obtenida de las corrientes de aire o fotovoltaica a una red eléctrica convencional se requieren equipos basados en electrónica de potencia, llamados sistemas flexibles de transmisión de corriente alterna, cuya función es mitigar los efectos de la fluctuación en la red.

Con la instalación de esos dispositivos, un parque eólico en Baja California evitaría una merma de voltaje durante un disturbio; que una línea cargada en cierto periodo del día (que viene de Oaxaca al Distrito Federal) transfiera hasta 30 por ciento más de energía nominal, o que si una de estas infraestructuras es incapaz de mandar más de cien unidades si su capacidad es de 130, canalice el total sin necesidad de construir otra línea para transportarla.

La escuadra puma ya patentó un equipo para protección de fenómenos de ferrorresonancia, cada vez más frecuente por la variabilidad en la red eléctrica nacional. De hecho, ya se tiene el diseño completo,  su modelado y la validación (en computadora) con un fenómeno real de este dispositivo protector de fallas en transformadores de medición ante los percances mencionados.

Miguel Ángel Olguín Becerril, trabajador de la CFE, realizó su doctorado con este proyecto. Ahora dos estudiantes de maestría trabajan en el desarrollo del prototipo. Todos bajo la dirección de Ángeles Camacho, coordinador de la Red Temática del Conacyt de Sistemas Eléctricos de Potencia y Redes Inteligentes, que integra a investigadores del país.

Herramientas pequeñas

El grupo del Instituto de Ingeniería diseña y desarrolla equipos que laboran en serie sobre líneas de transmisión. No buscan competir con grandes fabricantes, sino crear herramientas pequeñas, de 30 a 70 kilogramos, capaces de ser ensambladas en los conductos referidos para cumplir la función de una subestación grande (se les conoce como sistemas distribuidos para el control flexible de líneas de transmisión).

Otros miembros adscritos a Sistemas Eléctricos de Potencia de la UNAM se ocupan de temas de superconductividad, proponen estrategias para mitigar corrientes de cortocircuito y configuran un software para la estimación de estado de la red.

¿Por qué son clave los modelos para la integración de fuentes alternas variables?

Son vitales porque aportan información valiosa sobre cómo operará bajo ciertas condiciones de radiación solar o de velocidades de viento en ciertas regiones.

¿Qué falta para tener una red nacional robusta? Una inversión importante para tener un sistema inteligente. Actualizar muchos equipos e instalar más dispositivos de control; más líneas de transmisión y una red más mallada, para que, por ejemplo, en Sonora, donde se prevé habrá parques fotovoltaicos, la energía pueda fluir sin problemas hacia el centro del territorio.

Falta también formar personal. Aunque hay experiencia, se desconoce el funcionamiento de estos recursos y hay miedo a ese cambio tecnológico. Nuestras universidades deberán formar esos recursos humanos para lograr un cambio generacional en el sector.

A nivel de investigación y desarrollo tecnológico, en México los interesados en esa vertiente forman un conjunto pequeño y aglutinado en la Red de Sistemas Eléctricos de Potencia y Redes Inteligentes. No obstante, éste debería ser más grande ante la reforma energética. “Podemos ofrecer a Cenace, CFE y Sener un paquete completo de investigadores en ciertas áreas”.

Creación de capacidades

Ante la modificación del marco legal en la materia, para Ángeles Camacho no queda más que invertir en proyectos para el desarrollo de tecnologías propias y, vía actualización de estudios en universidades, crear capacidades no sólo de investigación, sino también de operación.

Sería un error seguir con la importación de tecnología y cerebros. Deben funcionar de manera colaborativa empresas mexicanas y gobierno federal con las compañías extranjeras para que no haya técnicos de otras procedencias a cargo de nuestros sistemas.

En una escala de 10, ¿en qué lugar estamos en la integración de fuentes renovables a la red convencional? “No aparecemos siquiera en los primeros 20”. En instalación, tenemos un dos por ciento en penetración eólica y fotovoltaica, pero todo es tecnología extranjera.

En cambio, naciones pequeñas como España y Dinamarca ya han creado toda una industria a partir del viento. Ambas cuentan con grandes fabricantes de aerogeneradores. En Latinoamérica, Argentina y Brasil ya elaboran sus propios aerogeneradores y equipos electrónicos de potencia. “Hoy en día, la tendencia en países europeos es que el total de la electricidad sea suministrada por estas energías y en el nuestro requiere un impulso contundente para alcanzar en 2024, como establece la Ley General de Cambio Climático, la meta de generar 35 por ciento a partir de estas alternativas”, concluyó.

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