Integración de la eficiencia energética y material en los transformadores de distribución pública

Cada vez se reconoce más que la transición energética sólo puede ser sostenible si el uso de materiales forma parte de la ecuación, un aspecto que se refleja en las recientes iniciativas normativas de la UE. En los sistemas eléctricos, acoplar con éxito la eficiencia energética con la eficiencia de los recursos puede ser un reto, pero el concepto de carga máxima sostenible para los transformadores de potencia en las redes de distribución pública es una solución elegante que consigue combinar ambos objetivos.

Evitar el conflicto inherente

La ambición establecida en el paquete europeo "Fit for 55%" a partir de julio de 2021 exige que se desplieguen con rigor todas las vías técnica y económicamente viables para la descarbonización. Las redes de distribución eléctrica pueden contribuir maximizando su rendimiento energético. En este contexto, el reglamento de diseño ecológico sobre transformadores estipula valores máximos para las pérdidas en carga y en vacío. Los requisitos originales entraron en vigor el 1 de julio de 2015 y desde el 1 de julio de 2021 se aplican valores más estrictos.

Entretanto, el Pacto Verde Europeo ha esbozado la ambición de hacer que la economía sea más eficiente desde el punto de vista de los materiales, lo que ha culminado en un nuevo Plan de Acción para la Economía Circular en marzo de 2020. Esta ambición se reflejó en el artículo 7 de la última edición del Reglamento sobre diseño ecológico de los transformadores, que enumera una serie de cuestiones que deben abordarse en la próxima revisión del reglamento. Entre ellas se incluye "la posibilidad y la conveniencia de cubrir los impactos ambientales distintos de la energía en la fase de uso, como (...) la eficiencia de los materiales".

Por muy sensatas que parezcan las ambiciones, cuando se trata de la electricidad existe un conflicto inherente entre la eficiencia energética y la eficiencia material. Una medida clave para mejorar la eficiencia energética de los sistemas eléctricos es aumentar la cantidad de material conductor. Sólo haciendo un uso inteligente de los sistemas eléctricos se puede mitigar o evitar en algunos casos este conflicto. El concepto de carga máxima sostenible implantado en los transformadores de distribución representa una solución inteligente de este tipo. No cambia los transformadores en sí, sino que maximiza su rendimiento en cuanto a la eficiencia del material sin comprometer su rendimiento energético.

Picos de carga que no comprometen la fiabilidad, la vida útil ni la eficiencia energética

En el origen del concepto de carga máxima sostenible está el hecho de que muchos transformadores de distribución pública, tal y como están clasificados actualmente, están infrautilizados. Esto tiene antecedentes históricos. Las estrictas normas sobre reducción de pérdidas, compacidad y ausencia de sustancias tóxicas han impulsado diversas innovaciones tecnológicas, como el uso de material de bobinado altamente conductor, acero magnético con pérdidas reducidas, papel térmicamente mejorado y ésteres naturales como aislamiento líquido.

Como resultado, muchos transformadores pueden ahora soportar temperaturas más altas en los devanados - hasta 95°C en lugar de sólo 65°C, y pueden manejar una mayor demanda máxima sin comprometer la fiabilidad o la vida útil de la unidad. Este potencial de carga máxima no suele aprovecharse, ya que los operadores siguen tratando de mantener las pérdidas de energía por debajo de los valores estipulados.

Sin embargo, a bajos niveles de carga, la importancia relativa de las pérdidas de carga disminuye y la importancia relativa de las pérdidas en vacío aumenta. Como resultado, la elección de un transformador más pequeño para el mismo trabajo tiene poca influencia en las pérdidas totales de energía anuales de la unidad. Las redes de distribución pública suelen tener niveles de carga tan bajos. Hasta hace poco, sus cargas sólo se estimaban, no se medían. Con la introducción de los contadores inteligentes, las amplias campañas de medición han registrado ahora datos de kWh de todo el año, que muestran que las cargas tienden a ser más bajas de lo que se pensaba inicialmente. Los factores de carga medios se sitúan en torno al 15% de la capacidad nominal.

Este bajo factor de carga, combinado con la capacidad técnica de sobrecarga, conduce directamente al concepto de transformador de carga máxima sostenible. La "capacidad nominal" será el valor por el que el transformador cumplirá los requisitos de la normativa de rendimiento energético. La "capacidad de pico sostenible" del transformador se fijará en un valor superior. Mientras el transformador funcione en una red con cargas medias bajas, como es el caso de las redes públicas de distribución, permitir este tipo de capacidad de pico más alta no aumentará las pérdidas totales de energía anuales de la unidad.

Un ejercicio de modelización para evaluar los beneficios potenciales

Un grupo de expertos, bajo la dirección del Instituto Europeo del Cobre, realizó un ejercicio de modelización para evaluar el impacto de la selección de unidades de carga máxima sostenible para todas las sustituciones de transformadores en las redes públicas de distribución de la UE.

El modelo tomó como punto de partida el omnipresente transformador de 400 kVA - 24 kV/0,4 kV y calculó la diferencia entre sustituir todas las unidades de 400 kVA al final de su vida útil en la UE por unidades convencionales de 540 kVA, o por unidades de carga máxima sostenible de 400 kVA/540 kVA.

En cuanto al rendimiento energético, hay que distinguir entre las pérdidas de potencia nominal del transformador, expresadas en vatios, y sus pérdidas de energía anuales, expresadas en kWh. Las primeras están sujetas a regulación, mientras que las segundas deben tenerse en cuenta a la hora de evaluar el rendimiento medioambiental de la unidad.

El transformador de carga máxima sostenible de 400 kVA / 540 kVA está diseñado de acuerdo con las normas de rendimiento energético mínimo vigentes para una unidad de 400 kVA, lo que significa que sus pérdidas en carga superarán el valor de la placa de características durante los breves periodos de carga máxima hasta los 540 kVA. Sin embargo, sus pérdidas en vacío se fijan en un valor inferior al de una unidad convencional de 540 kVA. Para los perfiles de carga con picos cortos y una carga media baja -como es el caso de las redes de distribución- el aumento de las pérdidas de carga anuales se compensará con la disminución de las pérdidas anuales en vacío. Así lo confirman los resultados del ejercicio de modelización: se ha calculado que las pérdidas de energía anuales totales de las unidades de carga máxima sostenible son muy similares a las de una unidad convencional.

Figura 1 - El concepto de transformador de carga máxima sostenible (transformador de subestación de ing.mixa del Proyecto Noun)

Si bien no se han reducido las pérdidas de energía anuales, la eficiencia de los materiales del transformador de carga máxima sostenible ha aumentado considerablemente, con una reducción del peso total de entre el 11 y el 15%.

Este aumento de la eficiencia en el uso de materiales se logró sin aumentar el coste de compra de la unidad. El ejercicio de modelización demostró que el coste del modelo de carga máxima sostenible es comparable al de un transformador convencional si se mantienen todos los demás parámetros.

Facilitar la mejora acelerada de la red

La evaluación de los expertos ha llevado a la conclusión de que la aplicación generalizada del concepto de carga máxima sostenible en las redes públicas de distribución de la UE sería un ejercicio bien recibido. Tendría mucho sentido desde el punto de vista económico y contribuiría de forma significativa a los objetivos políticos de eficiencia energética y eficiencia material.

Figura 2 - El transformador de carga máxima sostenible ofrece la oportunidad de mejorar la potencia máxima manteniendo las mismas dimensiones de la unidad (fuente: Copper Alliance)

Una de las principales ventajas económicas del transformador de carga máxima sostenible es su compacidad. Con la transición hacia el abandono de los combustibles fósiles, se espera un crecimiento sustancial del consumo de electricidad en algunos sectores abastecidos por las redes de distribución. El transformador de carga máxima sostenible ofrece la oportunidad de aumentar la potencia máxima del transformador manteniendo las mismas dimensiones de la unidad. Este es un aspecto crítico en entornos urbanos donde el espacio puede ser restringido, lo que permite una instalación más barata y actualizaciones más tempranas, haciendo que la red de distribución sea más robusta y segura.

Fuente: Maximizar la eficiencia de los recursos de los transformadores de distribución - Contribución potencial a los objetivos del Green Deal de la UE, Leonardo Energy , octubre de 2021.