La tecnología de control digital, clave para garantizar la flexibilidad de la generación renovable en los futuros sistemas eléctricos

El grupo de trabajo 3 de la Plataforma Europea de Tecnología e Innovación sobre redes inteligentes para la transición energética (ETIP SNET) ha publicado recientemente el documento ‘Aumento de la flexibilidad de la generación renovable en el sistema: enfoque en soluciones de control’. El informe destaca el papel crucial de las soluciones de control, en particular las soluciones digitales, para garantizar la flexibilidad de la generación de energía renovable en los futuros sistemas eléctricos.

El documento describe el contexto europeo descarbonizado y analiza la necesidad de soluciones de control innovadoras para gestionar la variabilidad de las fuentes de energía renovables, asegurando la estabilidad y confiabilidad de la red eléctrica, además de ofrecer una visión general de los proyectos de la UE sobre temas de control de sistemas energéticos.

Investigación y desarrollo sobre la flexibilidad del sistema eléctrico

En el informe de ETIP SNET se han analizado 44 proyectos de la UE relacionados con la flexibilidad del sistema eléctrico para ofrecer una visión general de las soluciones en curso y las prioridades de desarrollo en materia de suministro flexible de energías renovables dentro del sistema eléctrico de la UE. El análisis se centra en los proyectos desarrollados desde 2021 hasta 2026, incluyendo resultados recientes de proyectos finalizados y perspectivas avanzadas de aquellos que aún están en curso. Los proyectos exploran una amplia gama de avances, y el análisis destaca las tendencias clave y las prioridades de innovación relacionadas con las soluciones de control para la flexibilidad de la generación renovable.

Casi todos los proyectos destacan el papel crucial de las tecnologías de control digital como facilitadoras fundamentales de la flexibilidad en la generación renovable. Estas tecnologías incluyen arquitecturas dinámicas de sistemas de gestión de energía (EMS) capaces de adaptarse a las condiciones de la red en constante cambio, la optimización en tiempo real de los recursos energéticos distribuidos y los enfoques basados ​​en datos para la agregación de flexibilidad, en particular para las estrategias de respuesta a la demanda. Además, el desarrollo de algoritmos avanzados y herramientas de optimización desempeña un papel fundamental en la mejora de la toma de decisiones en tiempo real.

Las técnicas que aprovechan el aprendizaje automático y el control basado en datos se aplican ampliamente para mejorar el rendimiento del sistema en condiciones variables de energía renovable. Y el informe también destaca que la adopción de gemelos digitales se ha generalizado, ofreciendo plataformas potentes para simular, probar y validar estrategias de control en diversos escenarios antes de su implementación en el mundo real.

Un número creciente de proyectos se centra en soluciones de control multinivel y transfronterizas, que abordan las interacciones entre operadores de redes de transporte y de distribución, así como los desafíos locales de la red. Las innovaciones en este ámbito incluyen el análisis predictivo para pronosticar la demanda y la generación de energía, la computación en el borde para el control descentralizado y diseños de sistemas de gestión energética (EMS) mejorados con IA. Por su parte, las comunidades energéticas y las plataformas de comercio entre pares (P2P) emergen como componentes transformadores para liberar el potencial de flexibilidad local. Estas soluciones aprovechan la tecnología blockchain para crear marcos de comercio de energía seguros y transparentes, junto con mercados digitales que permiten la participación activa de los prosumidores.

Y, por último, cabe destacar que la mayoría de los proyectos hacen hincapié en la implementación y la escalabilidad, y muchas soluciones alcanzan en la escala de madurez tecnológica un TRL (Technology Readiness Level) 7-8, lo que garantiza su disponibilidad para la implementación industrial.

Soluciones de control avanzadas para mejorar la flexibilidad del sistema

Un sistema eléctrico con una alta proporción de energías renovables requiere mecanismos dinámicos para equilibrar continuamente las desviaciones entre la generación y la demanda, garantizando un suministro suficiente y la estabilidad de la red eléctrica. Por lo tanto, el éxito de la transición energética depende de la capacidad de integrar y gestionar eficazmente estas fuentes de energía renovables, aprovechando soluciones de control avanzadas para mejorar la flexibilidad del sistema.

El informe indica que la flexibilidad se reconoce actualmente como uno de los tres pilares clave del futuro sistema energético europeo. Es necesaria para compensar tanto las fluctuaciones a corto plazo como la variabilidad a largo plazo, lo que lleva al desarrollo de nuevas soluciones de flexibilidad en diferentes horizontes temporales: la flexibilidad de corta y media duración (desde milisegundos hasta unas pocas horas) garantiza la estabilidad intradiaria y la seguridad del sistema, basándose en activos de respuesta rápida como inversores de red, respuesta a la demanda y sistemas de almacenamiento de acción rápida; y la flexibilidad de larga duración (desde días hasta varias semanas) aborda la escasez prolongada de energías renovables de larga duración, lo que requiere soluciones de almacenamiento a gran escala y a largo plazo como el hidrógeno, la arquitectura de redes híbridas CA-CC y la integración avanzada del almacenamiento de energía.

Para aprovechar estas flexibilidades, el informe subraya la necesidad de que los sistemas de control evolucionen, abarcando más allá de la gestión convencional de la red hacia la optimización en tiempo real de los activos distribuidos, aprovechando la digitalización y la automatización para maximizar el potencial de flexibilidad. Las arquitecturas de control avanzadas son clave para coordinar diversos recursos de flexibilidad, optimizar su desarrollo y garantizar un funcionamiento fluido del sistema en todos los niveles de la red eléctrica.

Arquitectura de control multinivel

Con una proporción cada vez mayor de generación renovable, los sistemas energéticos globales se están descentralizando significativamente. Se componen de numerosos sistemas energéticos locales que requieren un controlador tanto para proporcionar servicios de flexibilidad a la red general como para garantizar las necesidades operativas locales. La arquitectura de control jerárquica se ha adoptado como uno de los enfoques principales. Dependiendo de la configuración del sistema energético, la escala de potencia y la conexión, su sistema de control puede abarcar una o más capas.

Esta arquitectura de control multinivel ha sido diseñada para gestionar y optimizar el funcionamiento de los sistemas energéticos. Consta de tres niveles de control diferentes, diferenciados por escalas temporales y funcionales: corto plazo (a nivel de dispositivo), a medio plazo (a nivel de subsistema) y a largo plazo (a nivel de sistema).

De este modo, el documento se centra en la descripción técnica de las soluciones de control bajo una arquitectura multinivel. En concreto, profundiza en el diseño e implementación de sistemas de control digital, incluyendo sistemas de gestión de energía (EMS) y sistemas de gestión de potencia (PMS), y soluciones de control de activos, como el control de convertidores para optimizar el rendimiento de las fuentes de energía renovables y su contribución a la estabilización de la red eléctrica.

Recomendaciones para impulsar el desarrollo de soluciones de control

El documento también sugiere recomendaciones de investigación e innovación (I+i) para el desarrollo, validación e implementación a gran escala de soluciones de control.

Identifica áreas clave para una mayor investigación y desarrollo, incluyendo la integración de nuevas técnicas de control como la inteligencia artificial; plataformas de gemelos digitales y hardware-in-the-loop, y mecanismos de ciberseguridad; al tiempo que se aprovechan los pronósticos impulsados ​​por la IA para la optimización de la carga, la generación y el almacenamiento.

Para superar estas limitaciones, el documento señala que se pueden implementar varias recomendaciones. En primer lugar, es fundamental promover la estandarización, así como la necesidad de una alineación regulatoria que fomente la innovación y reduzca los costes financieros (mediante incentivos) y operativos (mediante directrices de cumplimiento) para las partes interesadas. Al mismo tiempo, se puede impulsar la expansión de plataformas de validación, gemelos digitales robustos y entornos híbridos de simulación físico-digital para mejorar la fiabilidad y la adaptabilidad de los sistemas de gestión de energía.

Gemelos digitales, un papel clave para futuros desarrollos

El documento de ETIP SNET finaliza con la exposición de varias conclusiones. Entre otras cuestiones, se destaca que, en la fase de desarrollo, los esfuerzos deben centrarse en el desarrollo de estrategias de control de inversores para permitir una integración fluida de las energías renovables y, al mismo tiempo, apoyar la estabilidad de la red, considerando la dinámica y los componentes existentes, incluyendo la generación y las cargas de energía convencionales.

El informe destaca que la tecnología de gemelos digitales desempeñará un papel crucial en esta fase, ofreciendo un enfoque en tiempo real basado en datos para optimizar las estrategias de control y predecir el comportamiento del sistema en condiciones variables. Las plataformas de experimentación, incluidas las configuraciones de hardware en el bucle (HIL) (por ejemplo, las de potencia y controlador), serán esenciales para validar nuevos métodos de control antes de su implementación a gran escala. Estas plataformas deben incorporar capacidades de cosimulación que integren la dinámica del sistema eléctrico con las restricciones de la red de comunicación, garantizando una evaluación holística de diferentes escenarios.

Una vez desarrolladas y validadas las estrategias de control, el documento afirma que la fase de implementación debe centrarse en establecer la infraestructura necesaria para facilitar su adopción generalizada. En este sentido, destaca la necesidad de mejorar las tecnologías de medición inteligente para proporcionar datos de alta resolución en tiempo real sobre los recursos energéticos distribuidos, lo que permitirá una predicción, monitorización y control más precisos del estado de la red eléctrica.

Finalmente, el documento expone que la fase de operación debe abordar los retos asociados a la gestión de un sistema eléctrico cada vez más digitalizado y descentralizado. En este escenario, la ciberseguridad ya es una preocupación y pronto se convertirá en un problema crítico, lo que requiere la implementación de mecanismos de protección robustos.