¿Qué sucede con el exceso de energía alimentada a la red eléctrica?

La pregunta más cercana a esto es el uso lineal del exceso de generación de energía .

No soy ingeniero, por lo que es posible que no pueda expresar esto correctamente y agradecería una respuesta que suponga un conocimiento básico mínimo (solo tengo una comprensión básica de voltaje, transformadores, etc.). La pregunta que surge de todo este discurso es que la energía eólica y la energía variable pueden interrumpir la red.

Por ejemplo, vea el artículo de Conexión eléctrica de 2012 Aumento rápido de las instalaciones solares que potencialmente sobrecargan la red que discute el potencial de "flujo de energía inverso" y también habla sobre algún tipo de dispositivo "protector de red". También hay un artículo similar sobre Hawaii The Interconnection Nightmare in Hawaii y Why It Matters to the US Residential PV Industry , que dice que la única "preocupación concreta identificada por la experiencia de Hawaii es el potencial de sobretensión transitoria en el alimentador, esencialmente un corto pico de tensión de duración ".

Tengo curiosidad acerca de lo que sucede aquí tanto con respecto a una grilla grande como en un micro ambiente. Por ejemplo, supongamos que tengo una batería completamente cargada y sigo enviando electricidad. ¿Lo que pasa? ¿Hay dispositivos que desvíen o disipen la electricidad como calor sin dañar nada? Encontré algunas preguntas similares en línea, pero las respuestas no eran demasiado claras.

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

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

Esto, como se puede imaginar, no es algo que solo tenga una 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 MV a gran escala o los anillos de distribución, luego vienen las redes de la ciudad (generalmente alrededor de 400kV) que generalmente son HV subterráneas, redes de vecindarios (20kV o tensión de red multifásica) y luego las redes de 'código postal' de baja tensión que distribuyen 115 / 230V. Por supuesto, como su pregunta ya implica, esta jerarquía supone un flujo neto de energía desde la estación de energía hasta el hogar, y no al revés.

La mayor parte de la generación de energía descentralizada (paneles solares no comerciales, turbinas eólicas y similares) ocurre a nivel de la casa, es decir, produce 115 / 230VCA 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 de energía neta todavía está en la dirección correcta. En raras ocasiones, pero con mayor frecuencia hoy en día debido al bajo precio de la energía solar, la cantidad de energía generada es mayor que la energía consumida en el nivel del código postal. Básicamente, para todas las redes de alimentación, esto no es realmente un gran problema. Los transformadores utilizados para convertir MV 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 con el que la mayoría de las redes eléctricas están lidiando mal es lo que sucede en un paso 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 viaje de regreso a la alimentación de alta tensión. líneas como lo haría a través de un transformador lineal. Si esta unidad genera más energía de la que consume, esa energía no puede (en general) ir a ninguna parte, o al menos se detiene mediante electrónica muy cara, no tan fácil de reemplazar en todas partes. La respuesta refleja del sistema es presionar 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 continuará allí hasta que pase una nube, la red caiga por debajo de los voltajes de baja tensión y todos los inversores solares se apaguen. Este problema se llama problema de generación de islas 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 ocurre una situación en una isla, se requiere que los inversores no solo descarguen toda su energía disponible en la red, sino que se modulen a sí mismos cuando la red alcanza un cierto voltaje. Cuando esa nube finalmente pase, se apagarán y la situación se resolverá.

Existen mecanismos de protección alternativos. Algunos países tienen interruptores de cortocircuito que pueden activarse con señales especiales (DTMF) a través de la línea de alimentación. Cuando se crea una isla, pueden acortar la red eléctrica a tierra y oscurecer una sección de la red inmediatamente. Sin embargo, esta no es una práctica muy segura, ya que a menudo causa picos inductivos en la red eléctrica que pueden dañar tanto la red eléctrica como la electrónica del hogar. 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 salida y pueden causar una situación de sobretensión.

En Alemania, este mes de mayo, el precio pagado por las energías renovables fue realmente negativo , ya que tenían demasiado. En otras palabras, estaban cobrando a los productores para tomar el exceso de energía. Así que lidiaron con el exceso de energía incentivando a los productores a no empujarlo a la red, lo cual es fácil con la energía solar y posible con la energía eólica.

Los diferentes métodos de generación tienen constantes de tiempo diferentes: a las plantas nucleares les gusta funcionar de manera plana, el arranque y el apagado toman mucho tiempo. La energía hidroeléctrica se puede alterar rápidamente en la producción 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 pierde la carga (lo que está frenando las turbinas), la energía almacenada en el vapor debe ser venteada (¡en voz alta!) Para evitar que los generadores carrete fuera de control. Hasta donde yo sé, no intentan absorber la energía eléctrica, aunque hice un estudio de factibilidad sobre instrumentación para un sumidero de energía masivo que absorbería grandes cantidades de energía (es divertido hacer instrumentos que funcionen con voltajes de modo común de Cientos 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 hacia una presa para almacenarla, y dejarla salir a través de turbinas y generadores para recuperarla (algunos de ellos) son un par de métodos.

Permítanme reformular estos artículos en términos que hagan que sea más fácil de entender y poner en contexto. Veo estos artículos como el equivalente a "Acabo de comprar un nuevo Ferrari, hay un grave problema porque sigo teniendo que reemplazar las pastillas de freno ya que la potencia de salida de mi motor es excesiva cuando me acerco a una luz de freno".

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

Realmente no hay problema con el exceso de producción, hay un problema con el exceso de entrega, solo necesitan indicar a los productores que "dejen de poner energía en la red". De hecho, algunos controladores de paneles solares utilizan el sombreado de la nube 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. Existen serios problemas con la red principal y los lazos de interconexión que simplemente pueden resolverse aprobando leyes y gastando dinero. Tener productores de energía eólica sobre el funcionamiento de su sistema de control tiene soluciones mucho más simples.

Es un problema complicado con una variedad de respuestas.

Incluso sin soluciones establecidas, existe cierta tolerancia para un desajuste entre la oferta y la demanda. Demasiada demanda / muy poca oferta) reducirá el voltaje y la frecuencia en la red desde su punto habitual de 50Hz / 60Hz / cualquiera que sea la red eléctrica de su país. Por el contrario, demasiada oferta / muy 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, puede 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, lo que provoca 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: esto actúa tanto para aumentar como para disminuir la frecuencia de la red, según sea necesario. Para usar una analogía de manejo, observe a alguien mientras se dirige. Están constantemente haciendo pequeños movimientos con la rueda, probablemente no son conscientes de esto, reaccionan a la posición de la rueda para mantener el auto en línea recta a medida que pasa pequeños baches en el camino. Tradicionalmente, esto ha sido realizado por generadores, que funcionan a menos del 100% de su capacidad, capaces de variar su salida con un tiempo de respuesta inferior al segundo.

Reservas: en Nueva Zelanda, las 'reservas' deben adquirirse 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 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 la capacidad y pueden aumentar rápidamente, o (de manera más económica y rápida) demandar recursos de respuesta, sitios que están dispuestos a reducir la carga según sea necesario para mantener la red. Estos recursos generalmente están 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 bulto, desviándolo hacia un árbol: debe girar la rueda hacia el otro lado para volver a la carretera (pero no gire demasiado o usted " terminaré golpeando un árbol al otro lado de la carretera).

Enfrentando los picos (generación de picos o respuesta a la demanda tradicional) para usar la analogía de nuestro automóvil, hay una esquina en el camino. Podemos verlo venir desde muy lejos, y tenemos que hacer un gran giro para permanecer en el camino. Estas son olas de calor de verano, instantáneas frías de invierno, picos nocturnos, etc. Esto se puede cumplir con una variedad de tecnologías. Por lo general, la mayor parte proviene de generadores de pico, 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 nuevo generador de picos y actualizar las líneas de transmisión.

Trabajo en el tema y creo que puedo ser de ayuda para explicar 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 ramas; los nodos son donde se inyecta el agua y se sustrae de la red, y las ramas son las tuberías.

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

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. (Esto sería producción solar a nivel doméstico) De la misma manera, un consumo excesivo en un nodo podría reducir la presión de las tuberías demasiado y el sistema no funcionará.

La forma de lidiar con esto es almacenar el excedente de energía y suministrarla cuando sea necesario, es por eso que las baterías son el grial de las energías renovables.

La enorme penetración renovable es una situación a la que se oponen los operadores de la 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 las cosas más, ya que este es mi trabajo diario.

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

Bueno, como lo solicitó, iré un poco más en detalle aquí:

Cada elemento de ramificación (líneas y transformadores) tiene un límite en la cantidad de corriente que puede pasar sin sobrecalentarse y prenderse fuego. Esta corriente nominal se puede superar durante un período de 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 útil de los elementos)

Por otro lado, el voltaje debe estar dentro de un + -5% del voltaje nominal de un nodo, esto es 230V + -5% por fase (¿En Europa, en EE. UU. 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 de 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 de mis vecinos. Este problema puede mitigarse 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 son muy reales.

Pero, ¿por qué el voltaje tiene que estar en ese límite? Bueno, este límite es una restricción de seguridad establecida por los operadores de la red. Si el voltaje en los enchufes de su casa es demasiado alto, podría romper la electrónica de alimentación de sus dispositivos (TV de PC, etc.) si el voltaje es demasiado bajo, los dispositivos electrónicos podrían no funcionar o incluso no funcionar. Una bombilla incandescente brilla más en alto voltaje, y menos en bajo voltaje.

Dime si se necesitan más detalles. Santi

Tenemos altos niveles de voltaje para transportar energía y bajos niveles de voltaje como 230V para la distribución de energía. A medida que la red se construyó y la mayoría de las veces hoy, la potencia pasa de la parte de alta a baja volatilidad de la red. Un tarnsformer distribuye el poder a varias casas en un pueblo o ciudad. A esta baja tensión no hay seguridad N-1, solo hay un transformador y muchas casas a su alrededor. Debido a que la corriente pasa de alto a menor voltaje, el voltaje más alto está en el transformador. A lo sumo (cualquiera que yo sepa), viejos transformadores este voltaje es constante. Para usar completamente el rango de +/- 5%, el voltaje en el tarnsformer es aproximadamente + 4/5%. En el camino a las casas, el voltaje puede caer hasta un 10% y con -5% todo está bien. Si ahora una gran cantidad de Photovoltaik produce más energía de la que se consume en esta área, la Energía tiene que ir a la red sobre el 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 fácilmente muy alto y los fotovoltaicos deben apagarse (un alto voltaje podría dañar cualquier dispositivo en esta área). Al usar / instalar transformadores ajustables, este caso no presenta problemas, el voltaje en el transformador de tarns solo necesita ajustarse a, por ejemplo, -4%. Pero son bastante caros.

Creo que otra buena analogía es que se puede pensar en una planta de energía grande (carga base) como un automóvil que se conduce cuesta arriba a toda velocidad. Alcanzará una cierta velocidad (frecuencia 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 piso, la velocidad aumentará y deberá levantar el acelerador para bajar la velocidad. Esto sería como el aumento de la frecuencia de la red y la generación de energía se reduciría (las unidades de pico se apagan). Por otro lado, si la colina se vuelve más empinada (aumenta la carga en la red), el automóvil disminuye la velocidad (baja la frecuencia) pero ya está a toda velocidad. Lo único que puede hacer ahora para volver a la velocidad es empujar otro automóvil. Esa sería una unidad de pico en línea.