¿Qué sucede con el exceso de energía que se alimenta a la red eléctrica?

Las respuestas más simples y directas a la pregunta principal dependen de cuán "excesiva" sea. Dado que la mayoría de los equipos están diseñados para operar dentro de +/- 5% del valor nominal, la "energía adicional" generalmente se disipa en forma de calor, en el propio dispositivo. En el caso de una bombilla (por ejemplo), produce más luz y calor. Si el exceso de energía supera la tolerancia de los dispositivos, estos se sobrecalentarán y/o quemarán ( causando daños ). Estos resultados se obtendrán independientemente de lo que provoque el “exceso de energía” en la red (rayos, instalaciones solares, energía eólica, etc.).

Para las últimas dos preguntas, si está cargando una batería de 12v con una fuente de 13v, el 1v adicional mantendrá la batería "caliente" después de que se cargue a 12v. Si lo está cargando con un suministro no regulado de 24v, la batería se sobrecalentará, se quemará y posiblemente explotará. Si lo carga con un suministro de sobrevoltaje y corriente limitada, la batería se cargará a 12 V y la energía adicional se disipará como calor en los reguladores de suministro. Una forma de hacer un uso "eficiente" de cualquier "energía adicional" sería usar un banco de baterías y un cargador "inteligente", que cambiaría la carga a otra batería cuando una esté cargada y la apagaría (desconectaría). cuando todas las baterías del banco estén cargadas. Si no hay interés en ahorrar la energía extra, se puede "tirar"

Como puede imaginar, esto no es algo que tenga una sola solución y el problema en sí mismo también es bastante complejo. Vamos a desglosarlo.

La red eléctrica tal como existe ahora en la mayoría de los países civilizados tiene una estructura jerárquica: en la parte superior están las grandes centrales eléctricas centralizadas, debajo están las redes de distribución de MT a gran escala o los anillos de distribución, luego vienen las redes urbanas (generalmente alrededor de 400kV) que suelen ser HV subterráneas, redes de barrio (20kV o tensión de red multifásica) y luego las redes de 'código postal' de baja tensión que distribuyen 115/230V. Por supuesto, como ya implica su pregunta, esta jerarquía supone un flujo neto de energía desde la central eléctrica hasta el hogar, y no al revés.

La generación de energía más descentralizada (paneles solares no comerciales, turbinas eólicas y similares) ocurre a nivel de la casa, es decir, produce 115/230 VCA y la bombea a la red eléctrica. La mayoría de las veces esto está bien porque la energía generada es mucho menor que la energía consumida y el flujo neto de energía todavía está en la dirección correcta. En raras ocasiones, pero más a menudo hoy en día debido al bajo precio de la energía solar, la cantidad de energía generada es mayor que la energía consumida a nivel de código postal. Básicamente, para todas las redes eléctricas, esto no es un gran problema en realidad. Los transformadores utilizados para convertir MT en 115/230V son solo transformadores lineales y funcionan tan bien en una dirección como en la otra. Casi nunca tienen PFC u otros parámetros dependientes de la dirección del flujo, por lo que está bien.

El problema que la mayoría de las redes eléctricas están enfrentando mal es lo que sucede en un escalón por encima de eso. Aquí llegamos al paso de conversión de la red subterránea de la ciudad a bloques más pequeños, y estas estaciones transformadoras hoy en día a menudo tienen PFC o al menos algún tipo de mecanismo de desacoplamiento para asegurarse de que la interferencia de la red de la ciudad no regrese a la energía HV. líneas como lo haría a través de un transformador lineal. Si esta unidad genera más energía de la que consume, esa energía no puede (por lo general) ir a ninguna parte, o al menos no puede hacerlo debido a componentes electrónicos muy costosos y no tan fáciles de reemplazar en todas partes. La respuesta refleja del sistema es accionar un interruptor y separar esta unidad del resto de la red. Por supuesto, esto no 'matará' a esta unidad; la energía generada simplemente aumentará el voltaje en esta red hasta el límite de seguridad de los inversores de energía (generalmente voltaje nominal + 5-7%) y muy a menudo desestabilizará la frecuencia de CA. Pero la energía seguirá estando allí hasta que pase una nube, la red caiga por debajo de los voltajes de caída de voltaje y todos los inversores solares se apaguen. Este problema se denomina problema de generación de la isla y es muy difícil de resolver sin alguna inteligencia adicional en la red eléctrica y los inversores (es decir, redes inteligentes).

Sin embargo, como puede ver en este párrafo anterior, la energía extra no necesariamente va a ninguna parte. Si se produce una situación de isla, se requiere que los inversores no solo descarguen toda su energía disponible en la red, sino que se automodulen cuando la red alcance un cierto voltaje. Cuando esa nube finalmente pase, se apagarán y la situación se resolverá.

Existen mecanismos alternativos de protección. Algunos países tienen interruptores de cortocircuito que pueden activarse con señales especiales (DTMF) a través de la línea eléctrica. Cuando se crea una isla, pueden hacer un cortocircuito en la red eléctrica a tierra y desconectar una sección de la red inmediatamente. Sin embargo, esta no es una práctica muy segura, ya que a menudo provoca picos inductivos en la red eléctrica que pueden dañar tanto la red como los aparatos electrónicos domésticos. Hoy en día esto rara vez se usa. Sin embargo, es un mecanismo de protección importante para los generadores de energía que no regulan bien su producción y pueden causar una situación de sobretensión.

En Alemania, este mes de mayo, el precio pagado por la energía renovable en realidad osciló en negativo , ya que tenían demasiado. En otras palabras, estaban cobrando a los productores por tomar el exceso de energía. Así que lidiaron con el exceso de energía incentivando a los productores a no empujarla a la red, lo cual es fácil con la energía solar y posible con la energía eólica.

Los diferentes métodos de generación tienen diferentes constantes de tiempo: a las plantas nucleares les gusta funcionar a toda velocidad y el arranque y el apagado toman mucho tiempo. La producción hidroeléctrica se puede alterar rápidamente al redirigir o ahogar el flujo de agua. Las plantas térmicas (solía tener una cerca) tienen una constante de tiempo más larga, por lo que si de repente pierdes la carga (lo que está ralentizando las turbinas), la energía almacenada en el vapor debe ventilarse (¡en voz alta!) para evitar que los generadores funcionen. enrollándose fuera de control. No intentan absorber la energía eléctrica, que yo sepa, aunque hice un estudio de viabilidad sobre la instrumentación de un sumidero de energía masivo que absorbería grandes cantidades de energía (es divertido hacer instrumentos que funcionen con voltajes de modo común de centenas de kV).

Almacenar energía en grandes cantidades de manera razonablemente eficiente es un problema muy difícil, sin una solución obvia. Las baterías/inversores distribuidos y el método de la vieja escuela de bombear agua cuesta arriba en una presa para almacenarla y dejarla correr a través de turbinas y generadores para recuperar (parte) son un par de métodos.

Permítanme reformular estos artículos en términos que los hagan más fáciles de entender y ponerlos en contexto. Veo estos artículos como el equivalente a "Me acabo de comprar un Ferrari nuevo, hay un problema grave porque tengo que cambiar las pastillas de freno porque la potencia de salida de mi motor es demasiada cuando me acerco a un semáforo".

La respuesta simple es: "quita el pie del acelerador". es decir, deja de producir energía cuando no puedes usarla.

Realmente no hay problema con la producción excesiva, hay un problema con la entrega excesiva, solo necesitan enviar una señal a los productores "dejen de poner energía en la red". De hecho, algunos controladores de paneles solares usan el sombreado de nubes para predecir cuánta energía se producirá en los próximos 10 o 15 minutos y lo envían a la autoridad de la red.

Este tipo de artículos no son útiles. Hay serios problemas con la red principal y los lazos de interconexión que pueden resolverse simplemente aprobando leyes y gastando dinero. Hacer que los productores de energía eólica controlen su sistema de control tiene soluciones mucho más simples.

Es un problema complicado con una variedad de respuestas.

Incluso sin soluciones, existe cierta tolerancia a un desajuste entre la oferta y la demanda. Demasiada demanda/demasiado poco suministro) hará caer el voltaje y la frecuencia en la red desde su punto habitual de 50 Hz/60 Hz/cualquiera que sea la red eléctrica de su país. Por el contrario, demasiada oferta/demasiada poca demanda aumentará la frecuencia. Una pequeña cantidad de desviación de frecuencia no es un problema significativo. En Nueva Zelanda, la red eléctrica es de 50 Hz, pero la red está bien con frecuencias que oscilan entre 49 y 52 Hz. Fuera de esto, puedes tener serios problemas. Más específicamente, si baja de 49 hz, esto puede dañar los generadores, que se apagarán o aislarán automáticamente. Esto significa que la frecuencia de la red cae aún más, ya que hay menos suministro, provocando una reacción en cadena y, finalmente, un colapso total de la red.

Para evitar que esto suceda, los operadores del mercado pagan a las personas para que realicen una variedad de servicios. Estos difieren de un país a otro, pero nuevamente, usaré NZ como ejemplo.

Mantenimiento de frecuencia: actúa tanto para aumentar como para disminuir la frecuencia de la red, según sea necesario. Para usar una analogía de conducción, observe a alguien mientras conduce. Constantemente hacen pequeños movimientos con el volante, probablemente no sean conscientes de estos, reaccionan a la posición del volante para mantener el automóvil recto mientras pasa por pequeños baches en el camino. Esto ha sido realizado tradicionalmente por generadores, funcionando a menos del 100% de su capacidad, capaces de variar su producción con un tiempo de respuesta de subsegundos.

Reservas: en Nueva Zelanda, se deben adquirir "reservas" en todo momento para mantener la red en caso de una situación N-1, ya sea la pérdida del generador más grande o la pérdida de las líneas de transmisión entre el Norte y el Islas del Sur. En Europa, el continente en su conjunto opera en una situación N-2, lo que representa la pérdida de 2 grandes centrales nucleares. Estas reservas pueden tomar la forma de generadores que funcionan por debajo de su capacidad y pueden aumentar rápidamente, o (de manera más económica y rápida) recursos de respuesta a la demanda: sitios que están dispuestos a reducir la carga según sea necesario para mantener la red. Estos recursos suelen estar segregados por el tiempo de respuesta y la cantidad de tiempo que pueden soportar el cambio. NZ tiene un mercado rápido (tiempo de respuesta de 1 segundo para cargas, tiempo de respuesta de 6 s para generadores sostenidos durante 1 minuto), y un mercado sostenido (tiempo de respuesta de 60 segundos pero sostenido por más tiempo, hasta aproximadamente 30 minutos). Volviendo a la analogía del automóvil, aquí es donde su automóvil golpea un gran bache, lo que lo desvía hacia un árbol: debe girar la rueda hacia atrás para volver a la carretera (pero no gire demasiado o terminaré chocando contra un árbol al otro lado de la carretera).

Cuando se trata de picos (generación pico o respuesta de demanda tradicional), para usar nuestra analogía con el automóvil, hay una esquina en el camino. Podemos verlo venir desde muy lejos, y necesitamos hacer un gran giro para mantenernos en el camino. Se trata de olas de calor de verano, olas de frío de invierno, picos nocturnos, etc. Esto se puede resolver con una variedad de tecnologías. Por lo general, la mayor parte proviene de los generadores de picos, que solo funcionan unos pocos días al año. Una vez más, la respuesta a la demanda entra en juego: a menudo es más barato cerrar una fábrica durante 20 horas al año que construir un generador de pico completamente nuevo y actualizar las líneas de transmisión.

Yo trabajo en el tema, y ​​creo que puedo ser de ayuda explicando esto.

Lo explicaré usando la analogía del agua:

Flujo de corriente eléctrica -> Flujo de agua

Voltaje -> presión

Dijo esto,

Si tiene una red con nodos y sucursales; los nudos son donde se inyecta y se extrae el agua de la red, y los ramales son las tuberías.

(En las redes eléctricas, las tuberías son transformadores y líneas, mientras que los nodos son los nodos o embarrados)

Si tiene una inyección de "agua" en un nodo que originalmente fue diseñado para el consumo, entonces la presión en las tuberías podría aumentar hasta un nivel en el que las tuberías se rompan. (Esta sería la producción solar a nivel doméstico) De la misma manera, demasiado consumo en un nodo puede bajar demasiado la presión de las tuberías y el sistema no funcionará.

La forma de afrontar esto es almacenar el excedente de energía y suministrarlo cuando sea necesario, por eso las baterías son el santo grial de las renovables.

La enorme penetración de las energías renovables es una situación a la que se oponen los operadores de red y las compañías eléctricas porque les obliga a adoptar nuevos enfoques para un trabajo que han estado haciendo durante un siglo con pocos cambios radicales como los que necesitan hacer. (Mi opinión)

Espero que esto sea lo suficientemente claro, de lo contrario, puedo explicar más las cosas ya que este es mi trabajo diario.

[EDIT: ¿Por qué se rompen las tuberías?]

Bueno, como usted solicitó, voy a ir un poco más en detalle aquí:

Cada elemento de rama (líneas y transformadores) tiene un límite en la cantidad de corriente que puede atravesar sin sobrecalentarse e incendiarse. Esta corriente nominal se puede sobrepasar por un tiempo limitado, por lo que una sobrecarga no es un evento de vida o muerte, si no dura demasiado (También las sobrecargas disminuyen la vida de los elementos)

Por otro lado, la tensión debe estar dentro de un +-5% de la tensión nominal de un nodo, esto es 230V +-5% por fase (En Europa, en USA es 125?). Generar energía en un nodo aumenta el voltaje en ese nodo y en los nodos vecinos (Para la misma situación de carga) El aumento en la demanda en un nodo disminuye el voltaje en ese nodo y sus vecinos). Es por eso que si coloco una gran cantidad de paneles solares en casa, podría tener problemas de voltaje en mi casa y en las casas de mis vecinos. Este problema se puede mitigar mediante la programación adecuada del firmware del inversor, pero no existe una regulación al respecto en muchos países, por lo que existen problemas de los que la gente no ha oído hablar pero que son muy reales.

Pero, ¿por qué el voltaje tiene que estar en tal límite? Bueno, estos límites son una restricción de seguridad establecida por los operadores de la red. Si el voltaje en los enchufes de su casa es demasiado alto, puede romper la electrónica de alimentación de sus dispositivos (PC, TV, etc.), si el voltaje es demasiado bajo, los dispositivos electrónicos pueden no funcionar o incluso romperse. Una bombilla de luz incandescente brilla más con alto voltaje y menos brillante con un voltaje más bajo.

Dígame si se necesitan más detalles. santi.

Creo que otra buena analogía es que se puede pensar en una planta de energía grande (de carga base) como un automóvil que se conduce cuesta arriba a toda velocidad. Alcanzará una cierta velocidad (voltaje de red) y en ese punto requerirá que mantenga el pedal en el piso para mantener esa velocidad indefinidamente. Ahora, si la colina comienza a nivelarse y deja el pie en el suelo, la velocidad aumentará y deberá levantar el pie del acelerador para volver a bajar la velocidad. Esto sería como si aumentara el voltaje de la red y se redujera la generación de energía (las unidades de pico se apagarían). Por otro lado, si la pendiente se hace más pronunciada (aumenta la carga en la red), el coche frena (cae la tensión) pero ya estás a toda velocidad. Lo único que puede hacer ahora para recuperar la velocidad es hacer que otro auto empuje. Eso sería una unidad de pico entrando en línea.

Contamos con niveles de alto voltaje para transporte de energía y niveles de bajo voltaje como 230V para distribución de energía. A medida que se construyó la red y la mayor parte del tiempo hoy en día, la energía pasa de la parte de alto voltaje a la de bajo voltaje de la red. Un tarnsformer distribuye el poder a varias casas en un pueblo o ciudad. Con este bajo voltaje no hay seguridad N-1, solo hay un transformador y muchas casas a su alrededor. Debido a que la corriente va de mayor a menor voltaje, el voltaje más alto está en el transformador. A lo sumo (cualquiera que yo sepa), transformadores antiguos, este voltaje es constante. Para usar completamente el rango de +/-5%, el voltaje en el transformador es de aproximadamente +4/5%. De camino a las casas, el voltaje puede caer hasta un 10% y con -5% todo está bien. Si ahora mucha energía fotovoltaica produce más energía de la que se consume en esta área, la energía tiene que ir a la red a través del transformador. Pero aún, la corriente fluye hacia el transformador, lo que significa que es el punto con el voltaje más bajo, no el más alto. Por lo tanto, el voltaje puede ser muy alto y las fotovoltaicas deben apagarse (un voltaje alto podría dañar cualquier dispositivo conectado en esta área). Al usar/instalar transformadores ajustables, este caso no presenta problemas, el voltaje en el transformador de tarnsformer solo necesita ajustarse a, por ejemplo, -4%. Pero son bastante caros.