Investigación de ORNL maximiza la operación resiliente de microrredes en Puerto Rico

Cuando el huracán María golpeó Puerto Rico en septiembre de 2017, la isla quedó devastada por fuertes vientos. Árboles y casas fueron arrasados y las calles se tornaron en torrentosos ríos que devoraban a su paso todo lo que hallaban. La tormenta dejó un número creciente de víctimas y varias comunidades sin electricidad durante meses. Cinco años después, los cortes de energía continúan, prolongados y frecuentes.

Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge, en colaboración con múltiples universidades, ONGs y organizaciones locales, están investigando como las microrredes pueden proporcionar electricidad más asequible, confiable y sostenible a comunidades históricamente desatendidas en Puerto Rico. En este proyecto, ORNL está desarrollando un control que permite operar un grupo de microrredes en un clúster, lo cual mejora la resiliencia en su operación inclusive cuando parte de la microrred está afectada por un desastre natural.

Las microrredes se pueden definir como un sistema independiente de energía que utilizan fuentes de energía locales, como eólica y solar, como medio de generación eléctrica. Si se agrega un almacenamiento de batería, las microrredes pueden funcionar de forma independiente en “modo isla” en caso la red de suministro eléctrica tenga fallas.

Los ingenieros, Ben Ollis y Max Ferrari de ORNL, lideran un equipo para crear el orquestador de microrredes que se implementará en las microrredes de la ciudad puertorriqueña de Adjuntas. Estas microrredes constituyen un proyecto liderado por Casa Pueblo, organización local sin fines de lucro, y Honnold Foundation.

La Honnold Foundation ha financiado múltiples proyectos de energía solar a nivel mundial para reducir la pobreza energética. Actualmente, ha invertido $1,7 millones de dólares en Adjuntas para instalar dos microrredes basadas en energía solar con amplio almacenamiento en baterías, afirmó la coordinadora local Cynthia Arellano. Los paneles solares se instalaron en 2021 y se conectarán este año a la infraestructura restante.

ORNL ha apoyado esta iniciativa con el diseño de un novedoso control que permite coordinar este grupo de microrredes. Al interconectar microrredes el sistema se vuelve más resiliente y, adicionalmente, el intercambio de electricidad entre microrredes permite que el clúster permanezca más tiempo en modo isla, punto crítico durante apagones de larga duración.  Por ejemplo, si una microrred perdiera parte de su generación solar, la microrred adyacente podría exportar energía al sistema afectado.

“Actualmente, no conozco un controlador que se pueda comunicar y coordinar con otro controlador de microrredes,” Ollis dijo. “Estamos formulando un diseño capaz de controlar múltiples microrredes, de modo que cualquier número de microrredes pueda operar de forma independiente, y al mismo tiempo compartir información con un orquestador que determine el flujo de energía entre ellas.”

Ferrari afirmó que, según las simulaciones iniciales, las microrredes podrían mantenerse funcionando en modo isla por al menos por una semana y que en condiciones ideales, estas microrredes podrían seguir operando indefinidamente sin conexión a la red.

Eso no es solo una cuestión de conveniencia. “Muchas personas murieron después del huracán y muchas de las muertes estuvieron relacionadas con cortes de energía,” dijo Arturo Massol-Deyá, director ejecutivo de Casa Pueblo, que promueve el desarrollo justo y sostenible en los alrededores de Adjuntas. Esta organización comunitaria ya había instalado paneles solares en su sede en 1999. Después del huracán María, Casa Pueblo pudo compartir la electricidad que generaba con los residentes que dependían de equipos médicos domésticos como respiradores.

“Nos dimos cuenta de cuántas personas se enfermaron: unas, prediabéticas, otras, hipertensas, otras, expuestas a condiciones de vida y alimentos insalubres, todas ellas calamidades que se hubieran podido evitar,” dijo Massol-Deyá. “La interrupción de la seguridad energética tiene que ver con la calidad de vida de los ciudadanos y genera consecuencias a largo plazo en la comunidad.” Como resultado de estos lamentables sucesos, el apoyo de base a la energía solar creció de manera constante en la isla.

Beneficios para toda la comunidad

Las microrredes de Adjuntas incluyen instalaciones solares en los techos de trece negocios, cuyos propietarios acuerdan brindar servicios críticos como medicamentos, refrigeración y carga de teléfonos celulares a los residentes durante los cortes de energía prolongados. A cambio, las empresas ahorran dinero en electricidad y evitan el uso de costosos generadores diésel, aseveró Ferrari. “La implementación de este control diseñado por ORNL será una herramienta realmente poderosa para la comunidad,” dijo Arellano. Ella agregó que es inusual que tantas empresas y propietarios estén conectados por una microrred y la infraestructura admitirá agregar aún más beneficiarios.

En un viaje reciente a Adjuntas, los investigadores de ORNL se reunieron con propietarios de negocios locales para comprender mejor sus patrones de uso de electricidad. Por ejemplo, cuando Ferrari visitó la panadería, aprendió a qué horas deben funcionar los refrigeradores para que la masa del pan leve correctamente. Ferrari y Ollis hablaron con los dueños de los negocios para identificar que establecimientos son críticos para las microrredes, para así darles prioridad cuando la energía eléctrica es escasa.

“Esperamos que el orquestador no solo permita a administrar las microrredes, sino también, proteja los componentes críticos como la unidad de almacenamiento de energía,” dijo Massol-Deyá, quien también es profesor de la Universidad de Puerto Rico Mayagüez (UPRM). “Los ingresos producidos por las microrredes de propiedad comunitaria financiarán su mantenimiento y expansión, así como la instalación de sistemas solares independientes para los residentes más desfavorecidos de Adjuntas.”

Un sentido de urgencia

Fabio Andrade es profesor de ingeniería de la UPRM y científico visitante en el ORNL adscripto al proyecto Adjuntas. Sus estudiantes modelan estrategias, herramientas y algoritmos para compartir energía solar entre usuarios de microrredes. El colega del UPRM, Gerson Beauchamp, guía a los estudiantes a través del análisis del equipo solar y la predicción de cuánta energía es capaz de producir. Con los precios actuales de la electricidad, se estima que colectivamente los negocios participantes puedan ahorrar hasta $78,000 al año al comprar energía solar de las microrredes, dijo Beauchamp.

Ferrari está incorporando la información de sus colegas de UPRM en sus simulaciones, las cuales también se evaluarán con equipos reales en el laboratorio utilizando los testbeds disponibles en el Grid Research Integration and Deployment Center (GRID-C) del Departamento de Energía (DOE). El siguiente paso del proyecto es evaluar el orquestador en este nuevo testbed de ORNL, el cual es diseñado específicamente evaluar operaciones de múltiples microrredes. En el 2023, el orquestador será instalado en las microrredes de Adjuntas.

Las tecnologías desarrolladas en ORNL soporta los esfuerzos para mejorar la seguridad energética en Puerto Rico. Adicionalmente, tienen el potencial de catalizar el uso de microrredes en el sistema eléctrico del futuro. Las microrredes inteligentes que incorporan energía renovable están preparadas para promover la flexibilidad y la resiliencia de la red al tiempo que respaldan los esfuerzos de descarbonización. “El orquestador incluye un marco de algoritmos que se puede expandir e implementar en otras microrredes en cualquier sitio,” dijo Ollis. “Podrían proporcionar electricidad más confiable a muchas otras comunidades rurales. Quisiera ver un futuro cientos de microrredes trabajando juntas para proteger la infraestructura crítica a nivel local, regional y nacional.”

El trabajo de ORNL en el proyecto Adjuntas está financiado a través de DOE’s Solar Energy Technologies Office. Gran parte del diseño, la configuración y las pruebas del orquestador de microrredes se realizan en el banco de pruebas de microrredes llamado COMMANDER (Coordination of Multi-Microgrids and Networked Distributed Energy Resources), que integra la instalación GRID-C, costeada en su mayoría por la Oficina de Electricidad del DOE. Otros miembros del equipo de ORNL que colaboran en el proyecto de microrredes de Adjuntas son Guodong Liu, Aditya Sundararajan, Mohammed M. Olama y Yang Chen. Tenemos socios académicos adicionales en la Universidad de Florida Central y la Universidad de Tennessee-Knoxville.

UT-Battelle administra el Laboratorio Nacional Oak Ridge para el U.S. Department of Energy’s Office of Science. La Oficina de Ciencias, el mayor partidario individual de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos, cuyo trabajo es abordar muchos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo.

Para obtener más información, visite https://energy.gov/science.