Un nuevo concepto de generación de energía eléctrica 100% eficiente y verde: el caso de éxito de Expoelectric y CITCEA-UPC

La feria de movilidad eléctrica, Expoelectric, es una iniciativa pionera que acerca el vehículo eléctrico de cero emisiones y las energías renovables a la ciudadanía a través de un conjunto de actividades lúdicas y divulgativas para impulsar la movilidad eléctrica y la transición energética. En 2019 tuvo lugar en Barcelona la novena edición de la feria, en la que por primera vez se decidió apostar por un nuevo concepto teniendo en cuenta su ideal de sostenibilidad de cero emisiones y generación de energía eléctrica 100% eficiente y verde. 

En anteriores ediciones, Expoelectric entraba en contradicción con este ideal al verse con la obligación de utilizar grupos electrógenos para suministrar la energía eléctrica necesaria a las carpas de los expositores. Así, una feria verde generaba gases contaminantes y ruido consumiendo combustibles fósiles en sus generadores diésel de electricidad. Por el contrario, los vehículos eléctricos expuestos disponían en sus baterías de una energía que, junto con los recursos de energías renovables también expuestos, podía ser suficiente para alimentar las carpas de sus expositores y el resto de servicios de la feria. Ante esta innovadora posibilidad, las entidades organizadoras acudieron al Centro de Innovación Tecnológica en Convertidores Estáticos y Accionamientos (CITCEA) de la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC) para estudiar la viabilidad de esta propuesta de autogeneración para conseguir la autonomía energética de un evento dedicado a los vehículos eléctricos y las energías renovables.

CITCEA-UPC aceptó el reto de desarrollar un equipo de electrónica de potencia que fuese capaz de cumplir con todos los requisitos necesarios: conseguir un sistema aislado de generación eléctrica que fuera capaz en cada instante de adaptarse a la demanda de electricidad de los consumos partiendo de las baterías de los diferentes vehículos eléctricos disponibles y de las generaciones renovables que participaran en la feria

Se desarrolló, pues, el concepto de generador de anilla energética (en inglés, Energy Ring Generator, ERG). Se construyó un prototipo, se experimentó en laboratorio y se realizó una experiencia piloto en la Expoelectric’18 que validó el concepto llegando a alimentar la mitad de las carpas de la feria. Se creó entonces el concepto de Anilla energética.


Captura de pantalla de la anilla energética.

Así, Expoelectric puso en marcha en 2019 el “Espacio Autoconsumo”, lo cual permitió que se convirtiera en la primera feria del sur de Europa en generar su propia energía eléctrica a través del autoconsumo fotovoltaico y de vehículos interconectados a la red (Vehicle to Grid, V2G). La anilla energética permite interaccionar de forma bidireccional a los vehículos eléctricos con la red eléctrica generada por la propia anilla. De esta forma la electricidad del evento proviene de fuentes de energía de origen renovable generada en su totalidad por placas fotovoltaicas, baterías de almacenaje y las aportaciones energéticas procedentes de los vehículos eléctricos.

La anilla energética

La anilla energética es una propuesta derivada del concepto de microrred que implica interconectar múltiples fuentes de generación distribuida y consumos. Al tratarse de un sistema completamente aislado de la red de distribución, el sistema requiere de un convertidor central y de un almacenamiento de energía que serán los responsables de establecer la red actuando como fuente de tensión y, además, mantener tanto el valor de la tensión de suministro como su frecuencia dentro del rango de operación normal, garantizando el balance de potencia y la seguridad del sistema en todo momento. Este convertidor central es el generador de la anilla energética ERG (Energy Ring Generator), desarrollado por CITCEA-UPC y fabricado por su spin-off TEKNOCEA. Como energía de respaldo, el ERG usa la batería de una furgoneta eléctrica dedicada al uso de servicios de limpieza urbanos, aportada por la empresa URBASER y complementada con baterías de segunda vida hasta alcanzar una capacidad útil de 45 kWh con un rango de tensión de entre 240 y 295 Vdc. Es decir, cuando la generación de los nodos distribuidos que aportan energía a la anilla energética es mayor que la energía consumida por las cargas conectadas a la anilla, el convertidor central ERG almacena este excedente cargando la batería de la furgoneta eléctrica. En cambio, cuando la carga es mayor que la generación, el ERG ajusta el balance de potencia extrayendo energía de la batería.

Por motivos de seguridad el ERG genera la anilla energética trifásica mediante un transformador estrella/estrella con neutro de 30 kVA que permite establecer un régimen de neutro TT en la anilla de distribución. El sistema de tensiones trifásico que genera el ERG se obtiene mediante un ondulador de topología trifásica de cuatro hilos que permite controlar independientemente la tensión de cada fase. De esta manera, la adaptabilidad a situaciones de elevado desequilibrio de cargas se gestiona individualmente, afectando de forma mínima a las otras fases y adquiriendo una característica de mayor flexibilidad que cualquier red convencional. Como la mayor parte de nodos de generación distribuidos a lo largo de la anilla son monofásicos, sean fotovoltaicos o V2G, se pueden producir escenarios en que una fase esté a plena carga, otra fase esté en vacío y por la tercera fase se inyecte corriente nominal en sentido contrario. La estructura de 4 hilos permite mantener la calidad de onda en las tres fases equilibrándolas internamente para que no se vean afectadas por la potencia reactiva consumida por las cargas ni por los armónicos producidos por cargas no lineales.

Protecciones y control de la anilla energética

Debido a la naturaleza de una feria como Expoelectric, se espera un perfil de consumos errático por las continuas conexiones y desconexiones de dispositivos. No es descartable que pueda suceder alguna situación de cortocircuito. En una red convencional, la corriente de cortocircuito que ofrece la red es decenas de veces superior a la corriente de los magnetotérmicos de protección, permitiendo implementar fácilmente unas protecciones en la  instalación con selectividad y rápidos tiempos de actuación. Por el contrario, en una anilla energética de las características de Expoelectric la corriente máxima de cortocircuito está limitada a la corriente que puede suministrar el ERG, que al ser un equipo de electrónica de potencia no permite niveles de sobrecarga comparables a una red convencional, dificultando que protecciones convencionales puedan actuar adecuadamente.

Por dicho motivo el dimensionado de las protecciones de la anilla energética debe tener en cuenta esta especial circunstancia de baja corriente de cortocircuito para evitar que en algún caso la energía de cortocircuito sea insuficiente para que la protección actúe. 

Resultados de la anilla energética

En la edición de 2019 la feria dispuso de dos dispositivos activos que podían inyectar energía a la anilla energética. La empresa Audit Energía conectó una instalación fotovoltaica de 5,67 kWp y la empresa Wallbox conectó dos cargadores bidireccionales V2G que podían proporcionar cada uno 3 kW a partir de dos vehículos Nissan Leaf de 34 kWh de capacidad utilizable de batería. La batería de la furgoneta eléctrica de Urbaser aportaba una capacidad utilizable de 45 kWh. Con estos recursos se dio servicio eléctrico a todas las carpas de los expositores que habían contratado un suministro total de potencia de 18 kW, con un total de energía consumida durante los dos días de 150 kWh.

Durante la feria se comprobó el correcto funcionamiento de la anilla energética, y se consiguió alimentar las carpas con una potencia de pico de 15 kVA. Se consiguió implementar la anilla integrando equipos de diferentes tecnologías y gestionar su funcionamiento mediante el control del nodo central, integrado por un ERG. Esta experiencia demostró que con suficientes recursos energéticos distribuidos se puede prescindir de grupos electrógenos para garantizar el suministro en este tipo de eventos. Además, se pudo realizar una importante tarea divulgativa, explicando y mostrando el concepto a los interesados.

Como reconocimiento a la innovación que representa este concepto de “anilla energética” (ERG) le fue otorgado el premio “EmErgEnt”, concedido por el Clúster de l’Energia Eficient de Catalunya (CEEC) en la “VII Nit de l’Eficiència”, al mejor proyecto del sector de gestión energética desarrollado por una start-up del sector de la energía eficiente de Catalunya en la categoría de “Producto”.

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