Actualmente, la infraestructura energética mundial se está transformando debido al ingreso de nuevas tecnologías disruptivas. Específicamente en el sector eléctrico, varios expertos coinciden en afirmar que las tendencias son la descarbonización, descentralización y digitalización [1,2]. Estas tendencias impactan de forma transversal a los modelos de operación y mantenimiento de la infraestructura eléctrica, transacciones en el mercado eléctrico y gestión de recursos humanos. Siendo así que se presentan nuevos problemas por resolver, distintas oportunidades y desafíos al status quo.
Las políticas internacionales y nacionales fomentan la descarbonización a través de la generación de energía con bajas emisiones de carbono y la mejora de eficiencia energética. Es así, que la transición energética, tan buscada en todo el mundo, solo sería efectiva a través de la mayor integración de energías renovables. Sin embargo, la integración de la energía renovable en el sistema eléctrico genera dos problemas principales: i) disminuye la inercia general del sistema y ii) aumenta la incertidumbre en la producción de energía[1,3]. Estos atributos hacen más desafiante la operación y administración de los sistemas de energía porque se necesita más flexibilidad para salvaguardar su operación normal y estabilidad [4].
Tradicionalmente, los sistemas eléctricos se han operado de forma centralizada, desde grandes centrales eléctricas conectadas a la red transmisión, para luego ser distribuida a los clientes finales. Este esquema está cambiando, tanto por el aumento de la generación distribuida, almacenamiento de energía, vehículos eléctricos (EV) y otras tecnologías. Las redes de distribución que fueron diseñados para un flujo de energía unidireccional, deberán enfrentar flujos de energía bidireccionales [2].
Las redes eléctricas incorporan todo tipo de innovaciones en la medición, el control, la comunicación y manejo de datos para operar de manera efectiva los sistemas de energía eléctrica. Pero también se está implementando y/o actualizando infraestructura de medición avanzada (AMI), internet de las cosas (IoT) y unidades de medición fasorial (PMU) para recopilar mediciones eléctricas de alta resolución y precisión en todo el sistema [5]. Estas tecnologías permiten que el sistema eléctrico ingrese a la era digital. Permitiendo a su vez, nuevas formas de intercambiar bienes y servicios. Mediante la adopción de nuevos modelos de negocio digital, transacciones transparentes y/o contratos inteligentes [1,4].
Es así que sobre los sistemas eléctricos tradicionales se incorporan nuevas tecnologías (Ver figura 1). La incorporación de estas nuevas tecnologías junto a la digitalización da paso a la transición a redes eléctricas inteligentes (Smart Grid). El cual es un sistema de energía físico combinado con una capa cibernética de comunicación, control y automatización, anunciado para ofrecer mejoras en la operación, mayores eficiencias y menores costos para los consumidores [2]. La visión de la energía eléctrica digital y su comprensión total son fundamentales para una transición fluida de los sistemas tradicionales a los Smart Grid.
Sin embargo, expertos en la materia reconocen que los desafíos de los sistemas eléctricos son cada vez más complejos [6]. Por ejemplo, a medida que el sistema eléctrico evoluciona (junto con las tecnologías de medición y comunicación), da como resultado el aumento de la generación de datos heterogéneos [5]. Siendo así que se hace imperativo la gestión de datos generados por la infraestructura eléctrica como mediciones de energía y datos externos como información de clientes.
La pregunta es, ¿quién gestionará estos datos, la fuerza laboral humana o la digitalización? ¿Cuál sería una forma eficiente? [7]. Es así, que la enorme cantidad de datos generados por esta infraestructura requiere formas automatizadas de analizar los datos resultantes. Además, el cambio a sistemas eléctricos inteligentes, descentralizados y complejos crea tareas que rápidamente pueden volverse inmanejables para los operadores humanos.
Actualmente, existe una variedad de tecnologías que dan soporte a la digitalización del sistema eléctrico. Entre ellas tenemos la inteligencia artificial (AI), internet de las cosas (IoT), Big Data, Cloud computing y Blockchain[7]. Particularmente, los enfoques de IA se han identificado como una herramienta clave para abordar estos desafíos en los sistemas eléctricos [4] (Ver figura 2).. La Inteligencia artificial se puede utilizar para:
- Pronosticar la demanda eléctrica y comprender mejor los patrones de consumo de los usuarios finales. Lo cual permite gestionar la demanda.
- Pronosticar la generación de energía eléctrica. En especial de energías renovables como solar o eólica. Permitiendo de ese modo programar la operación económica del sistema eléctrico.
- Optimizar el mantenimiento y la gestión de los activos. Pues existen algoritmos que permiten estimar el estado de confiabilidad de la infraestructura eléctrica. Permitiendo evitar fallas intempestivas que afecten la continuidad del suministro eléctrico.
- Aliviar la carga sobre los seres humanos al ayudar y automatizar parcialmente la toma de decisiones. En especial a las decisiones rutinarias que se dan en el centro de control.
- Automatizar la programación y el control de la multitud de dispositivos utilizados.
Una consecuencia desafortunada de una mayor dependencia de la tecnología digital es una mayor vulnerabilidad a los ataques cibernéticos que pueden comprometer la confiabilidad de la red y provocar apagones y daños en los componentes. Estos ataques pueden incluir inyecciones de datos falsos que llevan a los sistemas de control a tomar acciones innecesarias y potencialmente dañinas, hasta la anulación directa de la central eléctrica o el control del sistema eléctrico. Además, la gran proliferación de datos que surgen de la red inteligente asociada con los recursos energéticos y el uso de energía ha generado preocupaciones sobre la privacidad y las violaciones de datos. Por ejemplo, la ocupación de una vivienda puede inferirse fácilmente de su perfil de consumo energético. [2]
Finalmente, podemos concluir que las tecnologías de digitales, en especial Big Data e Inteligencia artificial, juegan un rol vital en la transición hacia redes inteligentes. La transición a Smart Grid debe ser gradual y por partes hasta que se logre su implementación completa. El cómo realizar la implementación de estas tecnologías da lugar a grandes desafíos y oportunidades de investigación.
Referencias
[1] M.L. Di Silvestre, S. Favuzza, E. Riva Sanseverino, G. Zizzo, How Decarbonization, Digitalization and Decentralization are changing key power infrastructures, Renewable and Sustainable Energy Reviews. (2018). doi:10.1016/j.rser.2018.05.068.
[2] J.W. Mather, Market Design and Analysis for Uncertain, Flexible, and Decentralized Power Systems, UC Berkeley, 2018.
[3] K.S. Ratnam, K. Palanisamy, G. Yang, Future low-inertia power systems: Requirements, issues, and solutions - A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews. (2020). doi:10.1016/j.rser.2020.109773.
[4] I. Antonopoulos, V. Robu, B. Couraud, D. Kirli, S. Norbu, A. Kiprakis, D. Flynn, S. Elizondo-Gonzalez, S. Wattam, Artificial intelligence and machine learning approaches to energy demand-side response: A systematic review, Renewable and Sustainable Energy Reviews. (2020). doi:10.1016/j.rser.2020.109899.
[5] B.P. Bhattarai, S. Paudyal, Y. Luo, M. Mohanpurkar, K. Cheung, R. Tonkoski, R. Hovsapian, K.S. Myers, R. Zhang, P. Zhao, M. Manic, S. Zhang, X. Zhang, Big data analytics in smart grids: State-of-theart, challenges, opportunities, and future directions, IET Smart Grid. (2019). doi:10.1049/iet-stg.2018.0261.
[6] Y. Xu, P. Ahokangas, J.N. Louis, E. Pongrácz, Electricity market empowered by artificial intelligence: A platform approach, Energies. (2019). doi:10.3390/en12214128.
[7] N.M. Kumar, A.A. Chand, M. Malvoni, K.A. Prasad, K.A. Mamun, F.R. Islam, S.S. Chopra, Distributed Energy Resources and the Application of AI, IoT, and Blockchain in Smart Grids, Energies. (2020). doi:10.3390/en13215739.
Revista Energía Andina
Este artículo fue publicado en la revista Energía Andina.
