Los Gemelos Digitales ya son conocidos en varias áreas de la Industria, desde su conceptualización en 2002 por Michael Grieves, investigador en aquel entonces de la Universidad de Michigan, han evolucionado llegando a múltiples cadenas de producción y verticales del mercado. Sin embargo, desde Colombia ha surgido un nuevo enfoque enfocado en los retos energéticos. A continuación un texto de la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Valle hablando al respecto.
A medida que se hace inminente la búsqueda de fuentes de energía afines a la conservación del medio ambiente, las redes y los sistemas de energía eléctrica se ven enfrentados a nuevos desafíos para su correcto funcionamiento, derivados de la adición de nuevas fuentes de energía, tales como: la eólica y la solar.
Lo anterior conlleva una actualización cada vez más urgente en las industrias. Esta necesidad está dando paso a nuevos mecanismos de evaluación y validación de nuevas tecnologías, lo que supone retos al momento de integrarse en los sistemas eléctricos convencionales en los próximos años.
Buscando brindar una solución eficiente y con un alto grado de exactitud al respecto, el profesor e investigador de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, e integrante del Grupo de Investigación en Alta Tensión GRALTA, Eduardo Gómez Luna, junto con los investigadores Jorge de la Cruz y Juan C. Vásquez, del Centro de Investigación en Microrredes, de la Universidad de Alborg, Dinamarca, llevaron a cabo un estudio con base en un modelo virtual de Gemelos Digitales, cuyos resultados fueron publicados recientemente en la revista especializada ‘Energies’. Se trata de un análisis destinado a convertirse en pionero en esta materia, a nivel local y nacional.
El reto de la redes eléctricas de distribución en configuración en anillo
En medio del cambio en el paradigma energético que está experimentando el mundo actualmente, las redes de energías que se han utilizado tradicionalmente se han visto en la necesidad de descentralizarse, lo que significa que ya no solamente cuentan con flujos de energía producidos a través de plantas en un punto determinado, sino con la integración de otras fuentes –llamadas técnicamente “recursos energéticos distribuidos (DER)”-, como lo pueden ser vehículos eléctricos, almacenamiento, pilas de combustible, turbinas eólicas y sistemas fotovoltaicos, entre otras.
Este nuevo escenario plantea desafíos e impactos relacionados con los sistemas de protección de dichas redes eléctricas, debido a los diferentes flujos de energías conectados y la relación entre estos. “Cuando uno tiene un sistema eléctrico, con todo su proceso desde la generación de energía hasta el consumo, existen diferentes configuraciones de las redes. Yo diría que las más complejas de analizar son las de distribución”, explica el profesor e investigador Eduardo Gómez Luna, y agrega que esta complejidad se debe principalmente a que dichas redes, que usualmente son de topología de malla ‘o enmalladas’, son sistemas desbalanceados, que requieren por tanto procesos de evaluación más complejos, enfocados en las particularidades de sus fallas.
“Cuando uno no tiene una buena coordinación de protecciones o un buen ajuste de estos equipos de protección, va a haber pérdida de selectividad, o ante una falla posiblemente puede haber anillos que se queden sin abastecimiento de energía”, explica el profesor e investigador. Además de esta, otras de las fallas a las que están expuestos estos sistemas eléctricos tienen que ver con niveles de cortocircuito, de energía bidireccionales, pérdida de selectividad, disparos falsos o protecciones que quedan ciegas ante la integración de generación distribuida.
Según las palabras del profesor e investigador Eduardo Gómez Luna, la complejidad de tratar con sistemas de topología de malla se traduce en que no se puede generalizar el origen de un problema en estas redes, ya que las múltiples fuentes de energía distribuida que pueden estar conectadas a la vez, lo que dificulta su evaluación y aumenta los tiempos de respuesta.
Fue, precisamente, este el objetivo con el que se utilizó el método de Gemelos Digitales o también conocido como Digital Twins en inglés: “Lo que hacen estas herramientas es permitir el análisis a un nivel más detallado dado que integran el hardware (protección física) con el software (modelo de la red eléctrica), y de una manera más precisa, de los diferentes problemas que se tienen, y mucho más cuando a la red se integran recursos distribuidos”, comenta el profesor e investigador.
Gemelos Digitales, el método de escogido para el análisis
La investigación duró alrededor de dos años, y en ella tuvieron que ver los viajes de capacitación que el profesor e investigador Eduardo Gómez Luna realizó a Canadá, donde pudo ver de primera mano las utilidades del método de Gemelos Digitales aplicado a grandes industrias.
“Uno veía cómo los canadienses ponían un elemento de control y validaban en el gemelo digital diferentes fallas y contingencias. Porque ir a campo era muy costoso. Eran más de 1.000 kilómetros hasta donde debían ir a resolver el problema. Para ellos era más fácil evaluar en el laboratorio, validar por medio del método de Gemelos Digitales, y cuando estuviera validado dar la solución final. Con este método se mitigan los riesgos, costos y tiempos, que son las tres variables a mi parecer fundamentales para manejar con este tipo de tecnologías”, recuerda.
De nuevo en el país, el profesor e investigador Eduardo Gómez Luna tuvo claro que su objetivo sería ponerlo al servicio y aplicación para este tipo de redes, ya que en la región existen dificultades en materia de seguridad y factores climáticos que obstaculizan el traslado de equipos para resolver las dificultades que dichas redes presentan.
“Empezamos a utilizar tecnologías como estas de los Gemelos Digitales, que nos permiten analizar este tipo de redes, que son complejas y requieren ser analizadas de manera diferente a como se venía haciendo con herramientas tradicionales”, explica, y añade que lo que se busca con esta tecnología es, además, “tener buenas prácticas de comisionamiento, en el caso particular de las protecciones eléctricas para este tipo de redes, conlleva a tener buenos resultados y análisis”.
Las pruebas que se realizaron a lo largo de la investigación tomaron como base modelos estándar de redes eléctricas, disponibles en softwares eléctricos como el Power Factory, ETAP y NEPLAN. Esto debido a la dificultad de trabajar con datos reales del sector productivo, dadas las reservas de información para cada caso.
Los modelos estudiados fueron aquellos definidos por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE, por sus siglas en inglés), así como por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC, por sus siglas en inglés), ajustándose a las necesidades y las características de cada caso a examinar.
“Se escogieron unos escenarios de prueba clásicos de la literatura, en los que se integraba un componente, se hacía mención de una falla y se verificaba la reacción de esas protecciones (en las redes de anillo) en tales escenarios. Se escogieron dichos casos que ya estaban reportados, y el objetivo era validar cómo funcionaba con estas nuevas tecnologías, a través de los Gemelos Digitales”, explica el profesor e investigador Eduardo Gómez Luna.
Ante los resultados que los estudios arrojaron, el investigador menciona la necesidad de garantizar la validación de las tecnologías, una vez son adquiridas, para asegurar que cumplen las funciones para las que fueron diseñadas. “Este método de Gemelos Digitales me permite verificar que la tecnología sí está cumpliendo con lo prometido por el proveedor”, asegura.
Otra conclusión del estudio fue la contribución que estos métodos pueden brindar, ante el comportamiento de nuevas redes de electricidad, en un escenario futuro hipotético, donde los nuevos adelantos de estas tecnologías traerán consigo casos aún no registrados en la literatura especializada, dejándolos por tanto sin un nivel de medición claro. “Hoy en día preguntas, sin utilizar el método de Gemelos Digitales, qué podría pasar, y la incertidumbre (en la industria) ronda el 50 %, 60 % para diferentes validaciones y estudios. Con estas tecnologías podemos reducir considerablemente estas incertidumbres” opina el profesor e investigador.
Energías renovables, cambio en el paradigma eléctrico y retos para el país
Para el profesor e investigador Eduardo Gómez Luna, aunque los temas relacionados con energías renovables y distribuidas está en sus primeras fases en Colombia, la proyección a futuro del papel del país frente a esta materia será clave.
“En el momento en que ese escenario se llegue a dar, y más del 30%, 40% de la red nacional depende de recursos distribuidos, vamos a tener necesariamente que utilizar este tipo de tecnologías para poder hacer análisis y entregar informes al operador de sistema muchos más precisos y detallados. Porque lo más probable es que este operador deba entregar a los potenciales usuarios un informe basado en un gemelo digital. Hoy en día no se está exigiendo, pero en cinco o diez años es lo que podría suceder ante la integración a la red eléctrica de nuevas tecnologías”, concluye.
Si le interesa contactar al investigador o conocer más sobre la investigación, escriba a la Oficina de Comunicaciones Facultad de Ingeniería: comunicaingenieria@correounivalle.edu.co.
