Red inteligente

3.1 Introducción

En la ciudad del futuro, la red inteligente es una forma de tecnología digital que permite la comunicación bidireccional entre el cliente y la empresa de servicios públicos a través de las líneas de transmisión de energía [24]. De forma similar a como funciona Internet, la Smart Grid (Red Inteligente) está formada por equipos interconectados, tecnologías automatizadas y ordenadores que interactúan en la red eléctrica para adaptarse y responder a las demandas de energía [24].

Aumentar la eficiencia energética y acelerar la producción de energía renovable representa una de las principales prioridades para las personas y organizaciones de todo el mundo [25-28]. Para lograr este objetivo, la implementación de sistemas Smart Grid juega un papel importante, ya que no necesariamente implican el reemplazo de la red existente, sino que combina elementos de hardware y software para mejorar significativamente la forma en que funciona el sistema actual al tiempo que ofrece también la posibilidad de seguir mejorando [29-32].

Las Smart Grids pueden suministrar electricidad utilizando tecnología digital y también pueden integrar energías renovables dando la posibilidad a los consumidores de reducir su consumo durante las horas pico adaptando la cantidad extraída de la red a las necesidades personales [25-29]. Por lo tanto, la tecnología Smart Grid puede revolucionar la industria al reducir el consumo de energía hasta en un 30%, lo que también reduce la necesidad de construir nuevas centrales eléctricas [33].

Dado que los combustibles fósiles son perjudiciales para el medio ambiente al contaminar no solo el aire, sino también el suelo, el agua, la vegetación y los edificios, hoy en día se utilizan cada vez más fuentes de energía renovables como la solar y la eólica, ya que son respetuosas con el medio ambiente en comparación con las fuentes de energía convencionales [34]. Sin embargo, debido a que las fuentes de energía renovables son intermitentes, las redes inteligentes son esenciales debido a su flexibilidad, compatibilidad con la infraestructura existente, así como seguridad y alta eficiencia [33].

La implementación de sistemas de redes inteligentes desempeña un papel importante, ya que no implican necesariamente la sustitución de la red existente, sino que combinan elementos de hardware y software para mejorar significativamente la forma en que funciona el sistema actual y, al mismo tiempo, ofrece la posibilidad de seguir mejorando [29-32].

Fuente: https://blog.phoenixcontact.com/marketing-sea/2017/04/smart-grids-how-automation-empowers-the-future-of-electricity/

3.2 Internet de las Cosas

El Internet de las cosas (IoT, del inglés Internet of Things), es un paradigma reciente que se refiere a los miles de millones de objetos físicos vinculados a Internet que recopilan e intercambian datos en todo el mundo [35]. El objetivo de la Internet de las cosas es tener los objetos cotidianos equipados con microcontroladores y transmisores que les permitan comunicarse entre sí y con el usuario [36, 37].

En la ciudad del futuro, la Internet de las cosas puede optimizar la administración de los servicios públicos convencionales, como el transporte y el estacionamiento, el mantenimiento de los espacios públicos, el saneamiento y la seguridad [37]. Además, la Internet de las cosas se puede utilizar para establecer nuevos servicios, mejorar la transparencia gubernamental y sensibilizar a los ciudadanos sobre el estado de su ciudad [38].

La Internet de las cosas puede aportar beneficios en tres áreas de impacto principales [39]:

• Transporte,
• Los ciudadanos,
• Servicios

Al diseñar la arquitectura de Internet de las cosas en la ciudad del futuro, existen dos enfoques principales [40]:

• Enfoque evolutivo,
• Enfoque de borrón y cuenta nueva.

El enfoque evolutivo se refiere a realizar modificaciones en la red actual y reutilizar tantos elementos como sea posible de los sistemas existentes. El enfoque de borrón y cuenta nueva, sin embargo, se refiere a la creación y reconfiguración total de la red sin tener en cuenta la estructura existente [39].

Fuente: http://comtech2.com/internet-of-things/

3.3 Transición a la Red Inteligente

La Ciudad del Futuro se construye sobre varios pilares que tienen un papel crucial en la transición hacia un estilo de vida urbano sostenible, que son: la gobernanza, el transporte, la economía y la energía [41].

La creación de una ciudad inteligente del futuro es el resultado natural que surge de la red inteligente, siendo el sistema de infraestructura energética uno de los componentes más importantes que ayudan a una ciudad a ser sostenible y crear un medio ambiente más limpio para sus residentes [41-43].

Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Smart_grid

3.4 Microrredes

Las microrredes son una forma de sistemas de energía descentralizados y autosuficientes que sustentan un área relativamente pequeña, como vecindarios, complejos hospitalarios y campus [44, 45]. Las microrredes funcionan con uno o más tipos de energía distribuida, como generadores eólicos y solares en combinación con instalaciones de almacenamiento de energía [45].

Las redes tradicionales mueven la electricidad desde un punto central a grandes distancias a través de líneas de transmisión y distribución, lo que puede provocar una pérdida de energía de entre el 8 y el 15% [45]. Las microrredes, por otro lado, evitan este desperdicio de energía al generar electricidad cerca de los consumidores. Además, las microrredes pueden desconectarse de la red principal y funcionar de forma independiente. Esto les permite seguir proporcionando electricidad a sus consumidores en caso de una pérdida de energía provocada por catástrofes naturales [45]. Además, las microrredes tienen sistema de control avanzados que supervisan y gestionan todas las partes individuales, como generadores y baterías [45, 46].

Una de las características más importantes de una microrred es la flexibilidad. Esto se refiere al hecho de que, a través de los controladores de sistema avanzados, puede manejar la adición de nuevos elementos como consumidores adicionales, unidades de generación o almacenamiento, sin perder la confiabilidad del sistema [31, 43, 47].

Fuente: https://microgrid-symposiums.org/wp-content/uploads/2019/07/Americas1-X_Dobriansky_20190727.pdf

3.5 Optimización energética

La optimización energética se refiere a cómo se utiliza la energía para optimizar las ventajas para las personas y el medio ambiente.

Cuando se construyó el sistema eléctrico, la fiabilidad estaba garantizada por el exceso de capacidad del sistema y el flujo de energía en una dirección desde las centrales eléctricas al consumidor [48]. Hoy en día, sin embargo, el aumento de la población y la demanda de energía dio como resultado un sistema inestable e ineficiente [49].

Es por eso que, en la Ciudad del Futuro, se requiere una administración y un monitoreo efectivos en tiempo real de la red. Esto se puede lograr mediante los siguientes mecanismos y tecnologías [48]:

• Medición inteligente
• Electrodomésticos inteligentes
• Respuesta del lado de la demanda
• Precios dinámicos en tiempo real
• Gestión eficiente de las fuentes de energía (convencionales y renovables)
• Gestión eficiente del exceso de potencia

Las redes inteligentes se pueden utilizar de manera eficiente coordinando los electrodomésticos utilizados por cada hogar, así como gestionando los picos de carga [50]. Una forma de hacerlo es mediante la implementación de redes de sensores capaces de comunicarse entre sí en todo momento junto con un algoritmo de administración de energía de las TIC, capaz de controlar y monitorear muchos tipos de redes de energía, como Smart Grid basado en la web (o Smart Grid 2.0 ) [51]. El uso de redes de sensores interconectados conduce al concepto de Internet de la energía, en el que la red se considera una red de comunicación de datos que consta de áreas de hogar, áreas de vecindario y redes de áreas amplias [52].

Fuente: https://www.kamstrup.com/en-en/electricity-solutions

3.6 Recursos energéticos distribuidos

Los recursos energéticos distribuidos están directamente vinculados a las redes de generación de energía de baja y media tensión y contienen unidades de generación de energía, así como tecnologías de almacenamiento de energía [53]. Son una alternativa rentable a las grandes centrales eléctricas y las líneas de transmisión de alta tensión, ya que ofrecen independencia energética, alta eficiencia energética y una mayor fiabilidad del sistema [54].

Los sistemas de energía distribuida ofrecen flexibilidad, proximidad y networking para hacer frente al desafío del desarrollo sostenible. La escalabilidad y la capacidad para utilizar diversas tecnologías de conversión de energía y combustibles también están vinculadas a la flexibilidad de los sistemas de energía distribuida [55].

Los cuatro principales beneficios de tener recursos energéticos distribuidos son los siguientes [53]:

• Mayor eficiencia energética
• Reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero
• Minimización de riesgos para la salud
• Conservación de recursos

Fuente: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032109002561