Volantes de inercia para incrementar la estabilidad de la red eléctrica

VOLANTES DE INERCIA PARA INCREMENTAR LA ESTABILIDAD DE LA RED ELÉCTRICA.

Introducción

Los volantes de inercia en generadores y compensadores síncronos han sido utilizados por décadas para mejorar la estabilidad de la red eléctrica. Su implementación comenzó a cobrar mayor relevancia a partir de la década de 1970, cuando el crecimiento de las redes exigió mecanismos adicionales para amortiguar las fluctuaciones de frecuencia.

En los sistemas modernos, las energías renovables dependen de inversores electrónicos para conectarse a la red, y aunque estos han evolucionado para proporcionar inercia sintética, aún enfrentan limitaciones cuando operan sin baterías en configuraciones Grid-Forming.[pic 1]

En este artículo, se aspira desmitificar la percepción de que la generación síncrona está necesariamente ligada a fuentes no renovables y resaltar como la integración de volantes de inercia puede optimizar sistemas en operación. También analizaré los desafíos técnicos y económicos de la generación ultra distribuida (residencial y pequeños comercios), explorando sus ventajas y limitaciones en comparación con soluciones centralizadas o distribuidas (microgrids).

Qué es un Volante de Inercia

El volante de inercia consiste en una masa rotativa acoplada al eje del generador o del compensador síncrono. Su función principal es aumentar el momento de inercia del sistema, lo que influye directamente en la capacidad de la máquina para resistir variaciones abruptas de carga o fluctuaciones en la red. Esto se traduce en una respuesta más estable ante transitorios como cortocircuitos, cambios de carga súbitos o fallos en la red.

La integración de volantes de inercia en generadores existentes, representa una solución adecuada para mejorar la estabilidad y eficiencia del sistema sin requerir una inversión significativa en infraestructura nueva. Además, la sustitución de la fuente primaria de energía en plantas operativas por alternativas más sostenibles como pirólisis y/o termo solar, no solo reduce el impacto ambiental, sino que también hace más ecológico, continuar utilizando los generadores síncronos, permitiendo una transición progresiva hacia modelos energéticos más eficientes y alineados con el desarrollo sostenible.

Qué es la Generación Ultra Distribuida

La GUD es un modelo de producción de energía descentralizado que se basa predominantemente en inversores conectados a fuentes renovables, como la energía solar fotovoltaica y la mini eólica, que también puede integrar pequeños moto-generadores convencionales para uso residencial o comercial. Aunque cada unidad de GUD tiene una baja representación individual en la red, su impacto colectivo puede ser significativo en la estabilidad y operación del sistema eléctrico. No obstante, este esquema presenta una paradoja ecológica, ya que el bajo factor de demanda, resultado de la limitada interconexión de cargas similares, conlleva a un sobredimensionamiento de la capacidad instalada, generando un efecto de gigantismo energético (capacidad instalada).

La generación distribuida (GD), como parte de un Sistema Eléctrico de Potencia Local (SEP local)1, puede ser una solución eficiente para grandes cargas concentradas, como centros de datos y granjas de criptominería. Su implementación sería más efectiva, si los gobiernos incorporaran en sus políticas de distribución territorial y planificación urbanística, la concentración estratégica de estas cargas en sectores específicos. Esto permitiría compartir centros de generación comunes, aprovechando la reducción del factor de demanda conforme aumenta la cantidad de cargas interconectadas. Como resultado, se optimizaría la capacidad instalada, mitigando el gigantismo energético y facilitando la centralización del filtrado y la compensación de armónicos. Además, este enfoque favorecería la estabilidad del sistema, al mejorar la gestión de recursos y reducir las fluctuaciones de potencia en redes descentralizadas.

Este gigantismo se puede explicar con el siguiente ejemplo:

1. Para una casa de clase media off-grid, es apropiado un inversor de unos 10 kW mínimo, considerando: aires acondicionados, secadora de ropa, horno eléctrico y calentadores de agua eléctricos, con un respaldo de baterías de 12 horas (dependiendo de la latitud).
2. Para un urbanismo de 25 casas de este mismo nivel, S ≤ 85 KVA, con un fp ≈ 0,9.
3. Con 65 casas, S ≤ 150 KVA, pero si contrastamos este valor “centralizado”, con el de una GUD, esta última tendría una carga instalada de 650 KVA, es decir más de 4 veces el valor “centralizado”

Esto es evidente para una GUD, pero se hace más notorio al pasar a sistemas distribuidos y aún más a centralizados; si bien el cálculo de cargas industriales u otras semejantes, no es directamente extrapolable ya que cuenta con sus propios factores de demanda (ver NFPA 70).

En resumen, tanto para las GD, como para las GUD, se debe concentrar la mayor cantidad de cargas, en pro de explotar al máximo el factor de demanda, compensar la inestabilidad y los armónicos, con un esquema que incluya transformadores elevadores con grupos vectoriales apropiados para minimizar su influencia y alimentar motores que proporcionen la energía mecánica a generadores sincrónicos, al igual que se haría con grandes plantas solares o eólicas que no requieran conectarse a un sistema de transmisión HVDC.

En todo caso, GUD o GD, se deben considerar Los dispositivos FACTS (Flexible AC Transmission Systems), para mejorar el FRT (Fault Ride Through)2.

Unifilar de un Sistema Mixto o Hibrido.

La idea de combinar generación con inversores y generadores síncronos, se puede apreciar en la siguiente imagen:

[pic 2]

De esta imagen se destacan los siguientes aspectos:

1. El primer TX eleva la tensión a 4.160 V, con un grupo D/Y11, para compensación de armónicos del 3er orden.
2. Del BUS secundario, por un lado, alimenta el BUS principal y por el otro a un motor en 4.160 VAC que mueve un generador síncrono del mismo voltaje, destacando que actualmente existen casos probados, en que no se motoriza un generador, sino que el motor en vacío con volante de inercia se usa para estabilidad del sistema3.
3. Este, también va al BUS principal y luego al TX elevador, con grupo vectorial DY5, por ejemplo.
4. El generador cuenta con volante de inercia, más la suma de la masa del motor y se pueden estimar las pérdidas, tomando como referencia (3), de un 15% sumando motor y generador.

Esta integración, tiene como referencia el Estándar IEEE 1547 (2018), de este, se toman las siguientes definiciones:

• Generación distribuida (GD)
• Recursos distribuidos (RD)
• Sistema eléctrico de potencia (SEP)
• Sistema eléctrico de potencia de área (SEP de Área)
• Sistema Eléctrico de Potencia Local (SEP local)

Inercia rotacional y sintética (Grid-Forming, GFM), la clave de la estabilidad.

La inercia sintética de los inversores puede emular la inercia rotacional de los generadores síncronos, pero no la reemplaza completamente. La inercia rotacional proviene de la energía cinética almacenada en las masas giratorias de los generadores convencionales, lo que ayuda a estabilizar la frecuencia de la red ante perturbaciones y entregar una forma de onda completamente limpia, minimizando la THD de corriente, conforme al incremento de capacidad de corriente proporcionado por el generador sincrónico.

El estudio de estabilidad de sistemas eléctricos es sumamente amplio y en muchos casos requiere del apoyo de modelos computacionales, la utilización de volantes de inercia, no es solo aumentar el momento de inercia, hay muchos más elementos mecánicos involucrados, como la potencia del generador y la capacidad de su eje y rodamientos para soportar las cargas, una presentación referente a la estabilidad fácil de digerir y no tan extensa, se encuentra en el documento “Estudio de la Inercia del Sistema Eléctrico, Estabilidad de Red con Alta Penetración Renovable y Análisis del Apagón Ibérico de Abril de 2025”, publicado por Germán Fernández el 3 de mayo de 20254.

En cuanto a los volantes de inercia existen múltiples documentos técnicos, pero vale la pena resaltar recientes eventos en este campo, como los son:

• La provincia de Shanxi. La central eléctrica de almacenamiento de energía con volante de inercia de Dinglun, con una capacidad de 30 MW, es ahora el proyecto de almacenamiento de energía con volante de inercia más grande del mundo5.
• Irlanda ya tiene la solución a los apagones: el volante de inercia más grande del mundo pesa 200 toneladas y gira a 3.000 rpm, pero para estabilizar las renovables hacen falta más6.

[pic 3]

Planta irlandesa de Moneypoint

Esta es la clave, para la penetración de las Fuentes No Convencionales de Energías Renovables (FNCER) y se pueden citar otros ejemplos. No obstante, se deben resaltar solo tres aspectos:

1. Los volantes de inercia se pueden colocar en estaciones generadoras existentes o en proyecto, sean convencionales o no.
2. Se puede incrementar la inercia del sistema, alimentando motores eléctricos con inversores, en los dos escenarios siguientes:

• La energía mecánica del motor (síncrono o no), moverá a un generador síncrono para alimentar la red, considerando las respectivas pérdidas de energía y generación inferior al consumo.
• Los inversores alimentando un generador síncrono en vacío, funcionado como “compensador síncrono (modelo lineal de pérdidas)7.

1. Las actuales centrales de combustibles fósiles se pueden reemplazar por biomasa y/o termo solar, manteniendo el beneficio de la generación sincrónica.

Biomasa y Termosolar, las Energías Subestimadas.

El biogás es una forma amigable con el ambiente y aunque no tanto como esta, pero con una huella de carbono neutra y mayor producción de energía, se presenta la pirólisis de los residuos sólidos urbanos (RSU), que de por si son una fuente de contaminación, tanto del suelo y las aguas, como del aire, no solo por la huella de carbono, sino por el metano, que es 21 veces más nocivo como gas de efecto invernadero. Esta situación, es particularmente crítica, al considerar que más del 83% de los vertederos no son rellenos sanitarios, presentando incendios reiterados y continuos.

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