Resumen
La demanda de las redes de distribución está aumentando en todo el mundo debido al creciente uso de la energía fotovoltaica, las bombas de calor y la electromovilidad. Esta evolución está provocando problemas de tensión en la red, sobre todo en Europa, donde ya se está llevando a cabo una costosa ampliación de la red. En Sudáfrica, en cambio, la atención se ha centrado hasta ahora en la disponibilidad de electricidad. Sin embargo, con el fuerte crecimiento del mercado solar, la estabilidad de la red es cada vez más importante también aquí.
Un ejemplo de solución moderna es la introducción del sistema de regulación de baja tensión »LVRSys®« de A. Eberle en el centro de datos de Siemens en Midrand, Sudáfrica. El proyecto muestra cómo »LVRSys®« contribuye a la estabilización de la tensión en infraestructuras críticas, especialmente en regiones en transición hacia energías renovables. Además de en Sudáfrica, la tecnología es también una alternativa económica a la ampliación tradicional de la red en Europa y en todo el mundo, ya que puede utilizarse de forma flexible, rentable e independiente de la ubicación.
LVRSys®
El »LVRSys®-Sistema de Regulación de Baja Tensión« se desarrolló para resolver los problemas de estabilidad de la tensión debidos a la integración de la electromovilidad, la energía fotovoltaica y las bombas de calor en la red de baja tensión. Representa una alternativa económica y flexible a las costosas y lentas ampliaciones de líneas.
El suministro energético en Europa y Sudáfrica hoy: La necesidad de soluciones innovadoras y sostenibles
Las exigencias a las redes de distribución aumentan rápidamente en todo el mundo. Las fluctuaciones de tensión son cada vez más frecuentes a medida que los sistemas fotovoltaicos elevan los niveles de tensión en las redes de baja tensión, mientras que el creciente uso de bombas de calor y movilidad eléctrica provoca caídas de tensión. Mientras que los sistemas fotovoltaicos dominan los niveles de tensión durante el día, las bombas de calor y los vehículos eléctricos provocan principalmente reducciones de tensión al atardecer y por la noche. Además, la carga monofásica de los vehículos eléctricos agrava las asimetrías de tensión de fase.
En Alemania y Europa, estos efectos han provocado una rápida y costosa ampliación de la red. Al mismo tiempo, aumenta la demanda de soluciones inteligentes que permitan estabilizar la red de forma rápida y rentable.
En Sudáfrica, hasta ahora se ha prestado más atención a la disponibilidad de electricidad que a la estabilidad de la red. Sin embargo, se espera que esta tendencia se intensifique en los próximos años con la rápida expansión de las energías renovables. Se calcula que el mercado solar sudafricano alcanzará los 6,68 gigavatios en 2024 y se prevé que crezca hasta los 11 gigavatios en 2029, lo que refleja una tasa de crecimiento anual de casi el 11%. Según la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA), se espera que la capacidad de energía eólica y solar alcance los 20 gigavatios en 2030.
A largo plazo, el crecimiento del mercado se verá impulsado por la creciente demanda de fuentes de energía limpias y los esfuerzos por reducir la dependencia de las centrales eléctricas de carbón. Al mismo tiempo, la necesaria ampliación de la red de alta tensión por parte de Eskom sigue siendo un reto crítico para integrar las energías renovables en la infraestructura eléctrica existente. Por tanto, la creciente cuota de energías renovables requiere soluciones innovadoras y sostenibles para garantizar la estabilidad de la red y avanzar al mismo tiempo en la descarbonización del sector energético.
El principal reto de Sudáfrica sigue siendo el suministro seguro y estable de electricidad y la consecución de los objetivos climáticos de conformidad con el Acuerdo de París. Sudáfrica es actualmente uno de los 20 mayores emisores de CO2 del mundo, ya que la producción de electricidad depende en gran medida del carbón y los combustibles líquidos. Además, el mantenimiento inadecuado y las ampliaciones de las centrales eléctricas que no pueden planificarse realmente provocan grandes fluctuaciones de tensión una y otra vez. Éstas perjudican el funcionamiento de los equipos de, lo que puede provocar interrupciones de la producción en la industria e incluso la destrucción de dispositivos. Normas como EN50160, IEC 61000-2-12 o la sudafricana NRS 048 definen límites de banda de tensión (±10%). Las máquinas, los accionamientos y el alumbrado funcionan con mayor eficacia a la tensión nominal. Fuera de este rango, la eficiencia y la vida útil disminuyen, especialmente con los LED. Un proyecto piloto entre Siemens Proprietary Limited en Midrand, Sudáfrica, y A. Eberle Africa (Pty) Ltd. en Durban, Sudáfrica, demuestra cómo un sistema de regulación de baja tensión »LVRSys®« garantiza la estabilidad de la tensión de un centro de datos. Reacciona a las fluctuaciones de la tensión de la red en 30 ms y garantiza así que esta infraestructura crítica esté plenamente operativa 24 horas al día, 7 días a la semana. En el proyecto piloto se utiliza un »LVRSys®« con una potencia nominal de 250 kVA (+10%) y ocho pasos de control.
»LVRSys®« – Regulación de baja tensión - Principio de funcionamiento
Figura 7 (left): »LVRSys®« área de control del escenario
Implementación de una estabilización de tensión eficiente con »LVRSys®«
El centro de datos de Siemens en Midrand, Sudáfrica, utilizaba anteriormente una tecnología de sistemas más antigua que ya no cumplía plenamente los requisitos actuales y se basaba en el control de servomotores con ajuste mecánico de etapas. Esta tecnología tenía un largo tiempo de respuesta de varios minutos, baja eficiencia y limitaciones cualitativas, lo que provocaba un aumento de los costes de mantenimiento y prolongaba los tiempos de inactividad. En vista de estos retos, la decisión de sustituir el sistema existente por el innovador »LVRSys®« - Sistema de Regulación de Baja Tensión fue fácil. Esta tecnología fiable y robusta permite una regulación de tensión de alta precisión con un tiempo de respuesta inferior a 30 milisegundos, que compensa eficazmente las fluctuaciones de tensión. Esto garantiza el funcionamiento continuo e ininterrumpido del centro de datos, algo esencial para Siemens.
El desmantelamiento y la eliminación respetuosa con el medio ambiente del antiguo sistema corrió a cargo de una empresa asociada local en colaboración con A. Eberle África: INSTELEC SERVICES CC, contacto: info@instelec.co.za
La planta piloto se dimensionó de acuerdo con las normas más recientes e incluía las siguientes características técnicas:
Una característica clave del »LVRSys®« es su eficiencia excepcionalmente alta, que se sitúa entre el 99,4 % y el 99,8 % en todas las clases de potencia disponibles. Esto convierte al sistema en una solución especialmente eficiente desde el punto de vista energético y respetuosa con el medio ambiente. El sistema también impresiona por sus extraordinarios valores de rendimiento en comparación con otras tecnologías disponibles en el mercado:
- Potencia de paso: 22 kVA a 2500 kVA
- Márgenes de regulación: ± 6 % a ± 16 %
- Número de etapas: 9
- Rendimiento: 99,4 % - 99,8 %
- Control: independiente de la fase
- Sin realimentación de red
- Aumento de la potencia de cortocircuito unipolar mediante preetapa hasta 44 kVA
Además, el »LVRSys®« se ha diseñado deliberadamente para que sea fácil de usar y requiera poco mantenimiento. La comprobación de funcionamiento recomendada sólo requiere un cambio manual entre bypass y funcionamiento normal cada cinco años. A. Eberle África también ofrece un servicio postventa local. El sistema se suministra con una garantía de cinco años y tiene una vida útil prevista de 40 años.
Supervisión de la calidad de la energía en paralelo a la regulación de tensión »LVRSys®«
Otra característica destacada del sistema de control de baja tensión incorporado es la integración de dos dispositivos opcionales »PQI-DA smart«, dispositivos de calidad de la energía, dispositivos de medición de alta precisión de Clase A de conformidad con la norma IEC 61000-4-30, Ed. 4. Estos registran y documentan continuamente tanto los cambios de tensión en el lado de entrada como la tensión de salida regulada. Esto significa que el funcionamiento del sistema se supervisa continuamente y puede rastrearse en cualquier momento. Una memoria integrada de 1 GB permite monitorizar la tensión a largo plazo. Además, los dispositivos de calidad eléctrica integrados se comunican a través de una interfaz TCP/IP con el software del sistema orientado a bases de datos »WebPQ«, que garantiza una evaluación y un análisis exhaustivos de los datos.
Éxito de la puesta en servicio de »LVRSys®«
EL »LVRSys®« fue puesto en servicio con éxito por A. Eberle Africa en julio de 2024. Desde entonces, el sistema funciona de forma fiable y sin problemas. Gracias a su diseño de fácil manejo, el cliente final puede realizar la puesta en marcha de forma independiente si lo desea. En este caso, se impartió paralelamente formación sobre funcionamiento y mantenimiento para garantizar una utilización óptima y una fiabilidad operativa a largo plazo.
»LVRSys®« – Caso práctico del centro de datos
Cliente: Siemens Proprietary Limited South Africa
Nuestra atención se centra en el desarrollo ulterior de tecnologías innovadoras, el diseño de vías de descarbonización y el establecimiento de sistemas renovables circulares para una transformación sostenible. Las bases para una transición energética exitosa en 2040 deben sentarse ahora. Tenemos la oportunidad de hacerlo realidad: ahora es el momento adecuado para actuar, y Siemens África predica con el ejemplo.
Installatión »LVRSys®«
Siemens Proprietary Limited South Africa
300 Janadel Avenue
1685 Midrand, South Africa
07/2024
Pilotprojekt in Südafrika im Rahmen des RES-Programms
Aplicación: Estabilización de tensión de infraestructuras críticas - Centro de datos
Las normas EN 50160 y NRS048 definen, entre otras cosas, los márgenes de tensión admisibles dentro de los cuales debe permanecer la tensión de red. La tolerancia admisible es de ±10 % en relación con la tensión nominal UN_U_NUN (400 V conductor entre fases), lo que significa una fluctuación de tensión admisible de 80 V en torno al valor nominal. Las máquinas, los accionamientos y los sistemas de iluminación funcionan de forma más eficaz cuando la tensión aplicada se corresponde con el punto de funcionamiento óptimo, que suele ser la tensión nominal de la red eléctrica. Si la tensión se desvía de este punto, se reducen tanto la eficiencia como la vida útil de los accionamientos eléctricos. Los sistemas de iluminación en particular, como los LED, son sensibles a las desviaciones de tensión, lo que reduce considerablemente su vida útil. En las aplicaciones industriales, los estabilizadores de tensión con tiempos de respuesta inferiores a 30 milisegundos pueden configurarse para resolver estos problemas. Los sistemas y máquinas industriales suelen funcionar con una fuente de alimentación trifásica. Los sistemas industriales trifásicos funcionan de forma más eficiente a la tensión nominal UN_U_NUN (por ejemplo, 230 V de línea a neutro), lo que supone un ahorro potencial de energía. El control de la tensión corrige las asimetrías entre L1/L2/L3, lo que mejora la eficiencia y prolonga la vida útil de los componentes (por ejemplo, ciclos alternos más bajos para las escobillas del motor).
escobillas del motor).
Solution tecninca A. Eberle »LVRSys®«
250 kVA ±10 % (180.1000.4019 355 A ±10 %)
»LVRSys®« – Escenarios de aplicación para empresas de servicios públicos (EVU)
Experiencia en regulación de baja tensión
Alemania y Europa, pero también cada vez más otros países que están impulsando sistemáticamente la transición energética, se enfrentan al reto de garantizar una tensión de red estable en el nivel de baja tensión. Las soluciones inteligentes de regulación de la tensión son esenciales para retrasar la costosa ampliación de la red o, en función de la futura planificación de la red local, incluso para evitarla por completo.
Desarrollo de la red de baja tensión a lo largo de varios años -crecimiento de las energías renovables, las bombas de calor y la e-movilidad- y ampliación de la red clásica pero costosa.
Red de baja tensión: solución flexible e inteligente con un sistema de control de baja tensión »LVRSys®«.
El »LVRSys®« de control de baja tensión ofrece una alternativa eficaz a las extensiones de línea convencionales, posponiéndolas o incluso evitándolas por completo. Su uso económico tiene sentido en casi todas las redes de baja tensión. Mientras que las inversiones en nuevas líneas inmovilizan el capital durante décadas, «LVRSys®» requiere inversiones comparativamente bajas, que además pueden utilizarse de forma flexible e independientemente de la ubicación. Si la estructura de la red cambia radicalmente, el sistema puede trasladarse fácilmente a otro emplazamiento y seguir utilizándose.
Autores
Till Sybel: Managing Director A. Eberle Africa (Pty) Ltd.
Nhlanhla Mbuli, PrEng, FSAIEE, SMIEEE: University of South Africa, Department of Electrical and Smart System Engineering
Marco Rahner: Siemens Proprietary Limited South Africa Smart Infrastructure Sales RC-ZA SI S
Brian Howarth: Managing Director A. Eberle Africa (Pty) Ltd.
Este proyecto se financia en el marco del programa de Soluciones de Energías Renovables de la Iniciativa de Exportación de Energía del Ministerio Federal de Economía y Protección del Clima.
LVRSys®: la alternativa rentable y rápida a la ampliación de líneas/redes
Eficiente en costes y tiempo, fácil de instalar, flexible y de bajo/ningún mantenimiento
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