Techno-economic Analysis of Photovoltaic Distributed Generation Units, Capacitor Banks, and Electric Vehicle Charging Stations on Distribution Network. A Case Study of the Ashanti Region, Ghana

En muchas partes del mundo, la red eléctrica es algo frágil. Es una vasta red de cables que transportan energía desde plantas centrales hacia hogares y negocios, pero a medida que la demanda crece y la infraestructura antigua envejece, el sistema a menudo lucha por mantenerse al día. Dos problemas son particularmente comunes en estas redes estresadas: la pérdida de energía en forma de calor mientras viaja a través de los cables, y la caída de voltaje, lo que provoca que las luces se atenúen y los equipos funcionen mal. Estos problemas se están volviendo más urgentes a medida que los países intentan añadir nuevas fuentes de energía, como paneles solares, y nuevos tipos de cargas pesadas, como estaciones de carga rápida para vehículos eléctricos. Si estos nuevos elementos se añaden sin una planificación cuidadosa, pueden empeorar los problemas existentes, provocando apagones o daños costosos. El desafío para los ingenieros es determinar exactamente dónde colocar estos nuevos activos y qué tamaño deben tener para que reparen las debilidades de la red en lugar de crear otras nuevas.

Esta es la pregunta precisa que un equipo de investigadores de Ghana y Estados Unidos se propuso responder. Se centraron en la Región de Ashanti en Ghana, una red eléctrica del mundo real que actualmente se encuentra bajo una tensión significativa. La red allí sufre altas pérdidas de energía y un bajo voltaje generalizado, una condición en la que la presión eléctrica cae demasiado bajo para que los dispositivos funcionen correctamente. Para resolver esto, los investigadores desarrollaron una herramienta de planificación basada en computadora que trata a tres tecnologías diferentes como un equipo único e interconectado: generadores de energía solar, bancos de capacitores (dispositivos que ayudan a estabilizar la presión eléctrica) y estaciones de carga rápida para vehículos eléctricos. En lugar de observar estas tecnologías de forma aislada, el estudio preguntó cómo podrían trabajar juntas para reparar la red. El equipo ejecutó miles de simulaciones en un gemelo digital de la red real de Ashanti, probando millones de combinaciones diferentes de ubicaciones y tamaños para estos dispositivos para encontrar el equilibrio perfecto entre el rendimiento técnico y el costo.

Los resultados de esta simulación fueron impactantes. Los investigadores descubrieron que, mediante la coordinación cuidadosa de la ubicación de paneles solares, capacitores y estaciones de carga, podían transformar el rendimiento de la red. En su escenario más exitoso, el sistema redujo la cantidad de energía desperdiciada en un 81 por ciento. Esto significa que, por cada unidad de electricidad generada, una gran parte llegó realmente al cliente en lugar de perderse como calor en los cables. Al mismo tiempo, el plan eliminó cada instancia de bajo voltaje que existía en la red original. Antes de los cambios, casi treinta ubicaciones en la red tenían niveles de voltaje demasiado bajos para ser seguros o fiables; tras la optimización, cada bus, o punto de conexión, fue restaurado a un nivel saludable y estable. El estudio también mostró que esta reparación técnica traía consigo una fuerte ventaja financiera. Durante un periodo de quince años, se proyectó que los ahorros por la reducción del desperdicio de energía y los ingresos por la venta de energía solar y servicios de carga generarían una utilidad neta de aproximadamente 36.69 millones de dólares estadounidenses, incluso después de contabilizar los 26.60 millones de dólares requeridos para construir el sistema.

Para llegar a estas conclusiones, los investigadores utilizaron dos algoritmos computacionales avanzados, que son esencialmente conjuntos de reglas que ayudan a una computadora a buscar la mejor solución entre miles de millones de posibilidades. Un algoritmo, sobre el cual el equipo realizó mejoras, demostró ser significativamente más efectivo que el otro. Encontró una solución que no solo solucionó los problemas técnicos, sino que también entregó un mayor retorno financiero. El estudio comparó este método mejorado contra un enfoque estándar y encontró que la versión mejorada podía reducir las pérdidas de energía en casi un 89 por ciento en una red de prueba estándar, comparado con solo un 62 por ciento para el método estándar. En la red real de Ashanti, la diferencia fue aún más crítica: el método mejorado redujo las pérdidas en un 81 por ciento, mientras que el método estándar solo logró una reducción del 61.5 por ciento. Esto sugiere que la forma específica en que los investigadores programaron su algoritmo de búsqueda importa profundamente cuando se trata de redes complejas del mundo real.

El estudio también destacó la importancia de mirar el panorama financiero a largo plazo, no solo el costo inicial. Aunque el plan más efectivo requería una inversión inicial mayor de 26.60 millones de dólares, los retornos durante quince años fueron sustanciales. Los investigadores calcularon que el dinero ahorrado al no desperdiciar electricidad, combinado con el dinero ganado por la venta de energía solar y las tarifas de carga, pagaría el costo inicial en solo dos a tres años. Después de eso, el sistema continuaría generando ganancias durante el resto del periodo de quince años. Este hallazgo desafía la idea de que arreglar una red rota es puramente un gasto; en cambio, muestra que con la mezcla adecuada de tecnologías, una empresa de servicios públicos puede convertir una red con dificultades en un activo rentable. La investigación no se detuvo en los números, sin embargo. También trazó exactamente dónde deberían ir estos dispositivos. Por ejemplo, identificó buses específicos, o puntos de conexión, en la región de Ashanti donde la colocación de un gran generador solar tendría el mayor impacto en la reducción del desperdicio, y otros puntos específicos donde un banco de capacitores estabilizaría mejor el voltaje.

Uno de los conocimientos clave del trabajo es que estas tres tecnologías —energía solar, capacitores y estaciones de carga— deben planificarse juntas, no por separado. Si una empresa de servicios públicos instalara paneles solares en un lugar y estaciones de carga en otro sin considerar cómo se afectan entre sí, el resultado podría ser una red que sigue siendo ineficiente o inestable. El estudio demostró que cuando estos activos se tratan como un sistema coordinado, los generadores solares y los bancos de capacitores pueden trabajar en tándem para compensar el impacto de las estaciones de carga de vehículos eléctricos. Los paneles solares proporcionan potencia activa para satisfacer la demanda, mientras que los bancos de capacitores suministran potencia reactiva para estabilizar el voltaje, contrarrestando efectivamente el estrés que las estaciones de carga de vehículos eléctricos imponen a la red como cargas adicionales. Este enfoque coordinado permitió a los investigadores eliminar todas las violaciones de voltaje en la red, una hazaña que ninguna de las tecnologías podría lograr por sí sola en este contexto específico. El estudio también señaló que las estaciones de carga de vehículos eléctricos, modeladas como cargas adicionales que aumentan la demanda, de hecho contribuyeron a la salud financiera del proyecto al proporcionar un flujo constante de ingresos a través de las tarifas de carga.

Los investigadores tuvieron cuidado de fundamentar sus hallazgos en la realidad del contexto de Ghana. Utilizaron datos reales de la red de la Región de Ashanti, incluyendo el diseño real de los cables, la carga real de electricidad que se está utilizando y los costos específicos de los equipos en esa región. No dependieron de condiciones idealizadas o supuestos teóricos que podrían no sostenerse en la práctica. Por ejemplo, tomaron en cuenta el hecho de que los paneles solares no producen energía durante la noche y que la carga de vehículos eléctricos ocurre en momentos específicos del día. También factorizaron el costo de reemplazar equipos, como los inversores, que son los dispositivos que convierten la energía solar en una forma que la red pueda usar. Al incluir estos costos y restricciones del mundo real, el estudio proporciona un plano que las empresas de servicios públicos en Ghana y regiones similares podrían seguir realmente. Los resultados sug{\text{ }}sugieren que incluso en redes que actualmente luchan con altas pérdidas y bajo voltaje, hay un camino hacia un futuro estable y rentable, siempre que la planificación se realice con precisión y coordinación.

El estudio también comparó sus hallazgos con investigaciones previas sobre redes similares para asegurar que sus métodos fueran sólidos. Cuando se probó en una red eléctrica estándar y bien conocida utilizada por investigadores de todo el mundo, el algoritmo mejorado funcionó mejor que muchos métodos existentes, reduciendo las pérdidas de energía de manera más efectiva y encontrando soluciones que estaban más cerca de lo ideal. Esto dio a los investigadores confianza en que su enfoque era robusto. Sin embargo, también reconocieron los límites de su trabajo. Los resultados se basan en simulaciones por computadora, que son herramientas poderosas para probar ideas antes de construirlas, pero no son una garantía de lo que sucederá en el mundo real. El desempeño real dependería de factores como los patrones climáticos, los cambios en la demanda de electricidad y el comportamiento preciso de los equipos. A pesar de estas limitaciones, el estudio ofrece un caso claro y convincente para una nueva forma de pensar sobre la planificación de la red. Se aleja de la vieja idea de simplemente añadir más potencia o arreglar un problema a la vez, y en su lugar propone un enfoque holístico donde diferentes tecnologías se entrelazan para crear un todo más fuerte y eficiente.

En última instancia, el trabajo sirve como una demostración de cómo las herramientas de planificación modernas pueden ayudar a las naciones en desarrollo a saltar etapas de desarrollo de red más antiguas e ineficientes. Al utilizar algoritmos avanzados para encontrar la mejor mezcla de energía solar, capacitores y estaciones de carga, los investigadores demostraron que es posible transformar una red débil y de altas pérdidas en un sistema fiable y rentable. Los hallazgos son particularmente relevantes para regiones como Ashanti, donde la red está bajo presión tanto por la infraestructura envejecida como por el rápido crecimiento en las nuevas demandas de energía. El estudio sugiere que la solución no radica en elegir entre diferentes tecnologías, sino en comprender cómo pueden trabajar juntas. Con la planificación adecuada, la red puede ser rehabilitada, el desperdicio de energía puede reducirse drásticamente y el sistema puede generar suficientes ganancias para sostenerse durante los años venideros. El camino a seguir, según esta investigación, es uno de coordinación, precisión y visión a largo plazo.