1. No category

Five-O
Transformador
Inteligente de Estado
Sólido
Presentación
Five-Overviews (Five-O) es una metodología creada por el Laboratorio de Investigación en Control
Reconfigurable AC (LiCore), con el fin de extraer la información más relevante de un avance tecnológico dado, a
partir de cinco perspectivas transversales: medioambiental, social, gubernamental, tecnológica y de mercado.
La metodología Five-O sólo se aplica a aquellos adelantos tecnológicos que presenten altas expectativas para
resolver una problemática medioambiental y/o social. Su objetivo es presentar el panorama completo de la
tecnología en estudio, como base estratégica de toma de decisiones y para captar los recursos (material,
financiero y humano) necesarios para su óptimo desarrollo y comercialización.
Five-O es una herramienta que brinda a los interesados:






Un panorama general de la tecnología.
Introduce la problemática y la forma en la que la tecnología en estudio contribuye a resolverla.
Una descripción de la tecnología.
Abunda en los principales detalles técnicos de la tecnología en estudio.
El estado de la técnica.
Presenta una revisión del estado del arte, un análisis cienciométrico y patentométrico.
Los impactos medioambiental, social, gubernamental, tecnológico y de mercado.
Muestra los principales valores de la tecnología desde cinco perspectivas con el objetivo de identificar los
beneficios, oportunidades, retos y riesgos potenciales. Esta sección también incluye recomendaciones
extraídas de entrevistas realizadas a expertos relacionados con cada una de las perspectivas mencionadas;
constituyendo información de primera mano que no se encuentre documentada aún y, que por lo tanto, no
es del dominio público.
El grado de innovación de la tecnología en estudio.
Conclusiones y trabajo futuro.
Permite determinar la mejor estrategia de gestión tecnológica, incluyendo alternativas de procuración de
fondos y la recomendación final en cuanto a invertir o no en la tecnología en cuestión.
En el presente documento se aplica la metodología Five-O a la tecnología del Transformador Inteligente de
Estado Sólido (TIES).
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
i
Responsables de la elaboración del Five-O y contacto
Alejandro Espinosa Calderón
Secretario del Consejo Directivo de LiCore
[email protected]
Fidencio Ulises García Gómez
Departamento de Gestión Tecnológica – LiCore división Morelia
u.garcí[email protected]
Natalia de Jesús Nila Olmedo
Representante Legal de LiCore
[email protected]
Daisy Vargas Suárez
Departamento de Comunicaciones
[email protected]
Jorge Moreno
Departamento de Investigación, Desarrollo e innovación (I+D+i)
[email protected]
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
www.licore.org
Este documento terminó de editarse en Marzo de 2015 y sus derechos están protegidos.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
ii
Agradecimientos
El equipo de LiCore agradece la participación de todos los entrevistados. Gracias a su opinión, fundamentada
en su vasta experiencia, han apoyado la integración de este estudio con base en la metodología Five-O. Así
mismo, las valiosas aportaciones del Dr. Víctor Cárdenas Galindo.
También se agradece a la Agencia para el Desarrollo Internacional del gobierno de los Estados Unidos (United
States Agency for International Development – From the American People – USAID) por el apoyo financiero
para la realización de este estudio a través del proyecto “Smart Transformers: Towards a Mexican Smart
Electric Grid”, con el aval del Instituto Nacional del Emprendedor (INADEM), a la Organización LiCORE (apoyo
FOG#: AID-523-F-14-00003) en el Mexican Partnership Program 2013 bajo la temática de Cambio Climático
Global.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
iii
ÍNDICE GENERAL
Pag.
1.
RESUMEN EJECUTIVO
2.
ANTECEDENTES
2
3.
DESCRIPCIÓN DE LA TECNOLOGÍA
7
4.
ESTADO DE LA TÉCNICA
9
4.1 Estado del Arte
4.2 Análisis Cienciométrico
4.3 Análisis Patentométrico
5.
1
9
11
12
IMPACTOS
5.1 Ambiental
5.1.1 Beneficios
5.1.2 Oportunidades
5.1.3 Retos
5.1.4 Recomendaciones
14
14
15
15
15
16
5.2 Social
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
16
17
17
17
18
18
Beneficios
Oportunidades
Retos
Riesgos
Recomendaciones
5.3 Gubernamental
5.3.1 Beneficios
5.3.2 Oportunidades
5.3.3 Retos
5.3.4 Riesgos
5.3.5 Recomendaciones
5.4 Tecnológico
5.4.1 Beneficios
5.4.2 Oportunidades
5.4.3 Retos
5.4.4 Recomendaciones
5.5 Mercado
5.5.1 Beneficios
5.5.2 Oportunidades
5.5.3 Retos
5.5.4 Riesgos
5.5.5 Recomendaciones
18
19
19
20
20
20
20
22
22
23
23
24
25
25
26
26
26
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
iv
6.
MERCADO POTENCIAL
27
7.
INNOVACIÓN
30
8.
CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO
9.
REFERENCIAS
31
32
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Beneficios de una SmartGrid.
Figura 2. Modulo constructor de una SmartGrids.
2
3
Figura 3. Esquema general de una SmartGrid.
Figura 4. Transformador convencional vs. Tecnología TIES.
5
5
Figura 5. Esquema general de un Transformador de Inteligente
de Estado Sólido (TIES).
7
Figura 6. Sistemas embebidos con altas prestaciones de cómputo.
7
Figura 7. Interruptores de Carburo de Silicio (SiC).
8
Figura 8. Topología modular de tres etapas para un TES o TIES.
Figura 9. (a) Número de publicaciones por año; (b) Producción
científica por país, tecnología del TIES.
10
11
Figura 10. Producción de patentes por país en tecnología TIES.
13
Figura 11. Segmentos del mercado de la tecnología del TIES.
27
Figura 12 Segmento de componentes de la tecnología TIES.
28
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Patentes relacionadas con la tecnología del TIES.
11
Tabla 2 Mercado del TIES por componentes aplicado a SmartGrids ($MDD).
28
Tabla 3 Mercado del TIES por zona geográfica aplicado a SmartGrids (Millones de Unidades).
28
Tabla 4 Elementos de Innovación de la tecnología del TIES.
30
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
v
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
1. RESUMEN EJECUTIVO
La preservación del medio ambiente y los recursos naturales es uno de los principales retos de la sociedad
moderna. El cambio climático representa una de las mayores amenazas para el desarrollo, bienestar humano e
integridad del capital natural. Las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) contribuyen en gran medida
al cambio climático, por lo que su reducción es uno de los temas de mayor relevancia en la agenda de los
países comprometidos con superar el reto de lograr un desarrollo sostenible [1].
La producción de energía eléctrica es una de las principales fuentes de emisiones de GEI. La modernización del
proceso es una de las acciones más demandadas en las regiones con mayor desarrollo a nivel mundial y tiene
como meta contribuir a reducir el impacto medioambiental [2]. La planeación de los sistemas eléctricos de
nueva generación estará sustentada por el concepto de redes eléctricas inteligentes, también conocidas por el
anglicismo de SmartGrids. Se estima que para el 2030 las SmartGrids tendrán el potencial de reducir 9.87
MtCO2e de emisiones de GEI, lo cual corresponde aproximadamente a un 11.34% del potencial total estimado
en el Sector de Energía Eléctrica, según la línea base del 2020 [3]. Este indicador revela que las SmartGrids
tienen gran potencial para combatir el cambio climático, lo cual motiva a invertir en el desarrollo de esta
innovadora tecnología.
El Transformador Inteligente de Estado Sólido (TIES) es considerado la piedra angular para la implementación
de las SmartGrids [4]. Su función será reemplazar a los transformadores convencionales de distribución eléctrica
en el esquema de operación de una SmartGrid. Esta tecnología presenta numerosas ventajas, entre las que
resaltan: incremento en la eficiencia del proceso de distribución de energía eléctrica, mejora en la calidad de la
energía, factibilidad para integrar energías renovables, posibilidad de incorporar estaciones de carga para
coches eléctricos y comunicaciones dentro de la red eléctrica, entre otras. Además, se consideran elementos
clave para permitir a mediano y largo plazo la incorporación de almacenadores de energía. Estas ventajas
contribuirán a reducir los impactos medioambientales asociados a la operación de las actuales redes eléctricas.
De acuerdo con un estudio de mercado realizado por la compañía MarketsandMarkets [5], se espera que la
tecnología del TIES alcance un volumen de ventas por $5,043.39 millones de dólares (MDD) con una tasa de
crecimiento anual compuesta (CAGR) del 82.3% del 2012 al 2020 para el total de sus nichos de aplicación a
nivel internacional. A nivel nacional, se estima un tamaño del mercado anual de $40 MDD [6], con ventas de
hasta 13 MDD anuales con una inversión inicial aproximada de $2 MDD. Con estos datos se estima un VPN de
$209.5 MDP con un ROI de 14.69% y un tiempo de retorno menor a dos años.
Este documento presenta la aplicación de la metodología Five-O a la tecnología del TIES. Se muestra un
panorama general; se describe la tecnología; el estado de la técnica; su impacto medioambiental, social,
gubernamental, tecnológico y de mercado; el grado de innovación; y finalmente las conclusiones y
recomendaciones para trabajo futuro.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
1
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
2. ANTECEDENTES
La quema de combustibles fósiles es el proceso más usado a nivel mundial para la generación de energía
eléctrica. Este proceso provoca un rápido incremento en la concentración de dióxido de carbono (CO2) en la
atmósfera. El CO2 es el principal responsable del efecto invernadero, que a su vez influye en el cambio climático
del planeta.
En México, se anticipa un incremento anual de 4.5% en el consumo de energía eléctrica, según la Prospectiva
del Sector Eléctrico 2013-2027 de la Secretaría de Energía (SENER) [7]. Asimismo, se estima que para 2020 la
generación de energía eléctrica provendrá en un 76% de combustibles fósiles, 21% de energías renovables y el
resto de otros medios [8]. La generación por combustibles fósiles será responsable de provocar el 10.71% del
potencial de calentamiento global (PCG) en MtCO2e esperado para la línea base del 2020 [9].
Para hacer frente a estas acciones, científicos y tecnólogos de diversas áreas han orientado sus actividades de
investigación, desarrollo tecnológico e innovación (I+D+i) a la planeación de los sistemas eléctricos de nueva
generación que estará sustentada en el concepto de SmartGrids. Actualmente no existe una definición única,
universalmente aceptada, sobre este concepto. Grosso modo, puede mencionarse que son redes eléctricas con
generación distribuida y centralizada, las cuales incorporan modernas tecnologías electrónicas que permiten
mantener un flujo bidireccional de energía e integrar canales de comunicación y control para mejorar el
transporte de electricidad desde los puntos de generación hasta el usuario final con el objetivo de operar
eficientemente, minimizando costos e impactos ambientales y maximizando su confiabilidad, flexibilidad y
estabilidad [10].
Figura 1. Beneficios de una SmartGrid.
La transformación de una red eléctrica convencional a una SmartGrid implica la descentralización de los
sistemas de generación, permitiendo la integración e interacción de sistemas de generación distribuida (como
energías renovables y fuentes alternas) con el objetivo de mejorar e incrementar los niveles de calidad y
servicio, además de contar con la participación del usuario en la toma de decisiones. De esta forma, el sistema
principal de suministro eléctrico se convertirá en uno que tendrá la capacidad de monitorear y controlar el flujo
de potencia para canalizarlo a los puntos de la red eléctrica donde sea necesario. También contará con la
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
2
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
habilidad de gestar nuevas formas de compensación ante las numerosas perturbaciones comunes en los
sistemas eléctricos actuales. Adicionalmente la interacción con la red de comunicación (Internet) ofrecerá una
vía de enlace entre la empresa suministradora de energía y el usuario del sistema eléctrico.
La transformación de una red eléctrica convencional a una SmartGrid requiere que se integren funciones, tales
como [11]:








Medición inteligente
Comunicaciones digitales
Control y protección automática
Manejo y visualización de datos
Monitoreo y prevención
Predicción y diagnóstico
Modelado en tiempo real de la red eléctrica
Integración de recursos renovables y almacenamiento
El desarrollo más importante a nivel mundial sobre el tema de SmartGrids, el Future Renewable Electric Energy
Delivery and Managment (FREEDM) System Center [12], estableció que para el esquema de operación de las
futuras SmartGrids existen tres tecnologías que destacan como elementos fundamentales:
1) Interfaz plug-and-play que integre un bus de corriente directa (CD) de 400-V y el bus convencional de
corriente alterna (CA) de 110/220/440-V.
2) Interfaz de comunicación basada en un estándar de libre acceso para intercomunicar todos los
elementos de la SmartGrid.
3) Enrutador de energía que permita conectar el bus de distribución de 12-kV CA y lo transforme en los
buses 110/220/440-V CA y 400-V CD.
El sistema FREEDM contempla que estas tecnologías deberán estar integradas en un módulo que será el
bloque constructor de las SmartGrids [13]. Este módulo estará representado por la tecnología del
Transformador Inteligente de Estado Sólido (TIES).
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
3
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
Figura 2. Modulo constructor de una SmartGrids.
Al igual que el transformador convencional de distribución el TIES podrá elevar o reducir los niveles de voltaje
en CA, suministrando aislamiento eléctrico, además de:
 Permitir flujo bidireccional de energía, lo cual facilitaría la instalación de
sistemas de generación distribuida (paneles solares, aerogeneradores, microturbinas, etc.) y almacenadores de energía.
 Alimentar cargas en Corriente Directa (CD), lo cual permitiría la instalación de
estaciones de carga para vehículos eléctricos en un futuro cercano.
 Modificar en línea características de magnitud de corriente, voltaje y
frecuencia, lo que es equivalente a contar con un transformador capaz de
responder a las fallas producidas en el lado de la red eléctrica o en el lado del
usuario (caídas y subidas de voltaje, apagones cortos, etc.), realizando una
compensación en línea.
 Mejorar la calidad de la energía, lo cual evitaría que fallas producidas en la red
eléctrica se propaguen al usuario final, reduciendo así el costo de
mantenimiento al proveedor de la electricidad.
 Distribuir eficientemente la energía, gracias la capacidad de comunicación del
TIES. En el esquema de las futuras SmartGrids se espera que la central de
energía pueda comunicarse a través del TIES con el usuario final, mediante
medidores inteligentes y/o dispositivos móviles vía Wi-Fi. De esta forma se
tendrá información más precisa sobre el consumo eléctrico del usuario final, lo
que resultaría en la aplicación de mejores prácticas de producción y consumo
en la red eléctrica.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
4
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
 Reducir considerablemente el peso y espacio físico ocupado, comparado con
los transformadores convencionales de potencia equivalente su tamaño físico y
peso es aproximadamente de 1:10, lo cual reduciría significativamente los
gastos de transporte en las etapas de instalación, además de que sería más
atractivo en esquemas de distribución industrial, comercial y de tracción
motriz, tales como trenes, barcos y aviones.
 Reducir significativamente el uso de cobre, aceite mineral y otros líquidos
dieléctricos que contaminan el medio ambiente y los mantos freáticos. En
México, el robo de transformadores para extraer el cobre es una práctica
común [14 y 15]. Esto representa una importante amenaza para el medio
ambiente, pues su mal manejo durante el hurto ocasiona que se contaminen la
tierra y los mantos freáticos al derramarse el aceite que contiene el
transformador. Por el hecho de que el TIES podrá contener poca cantidad de
cobre, NO resultará atractivo para su sustracción y, por lo tanto, NO
representará un peligro para el medio ambiente.
La función de la tecnología del TIES en una SmartGrid será reemplazar al transformador convencional de
distribución eléctrica. Esta tecnología presenta numerosas ventajas sobre la convencional, entre las cuales
resaltan: incremento en la eficiencia del proceso de generación y distribución de energía eléctrica, mejora en la
calidad de la energía, factibilidad para integrar de energías renovables, posibilidad de incorporar estaciones
de carga para coches eléctricos y comunicaciones dentro de la red eléctrica, entre otras. Además, se
consideran elementos clave para permitir a mediano y largo plazo la incorporación de almacenadores de
energía basados en ultracondensadores y súper inductores. Estas ventajas contribuirán a reducir los impactos
medioambientales asociados a la operación de la actual red eléctrica nacional.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
5
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
Figura 3. Esquema general de una SmartGrid.
La tecnología del TIES fue señalada por la revista MIT Technology Review como una de las Diez más
Importantes Tecnologías Emergentes de los Últimos Años [16]. Asimismo, el Institute of Electric and Electronic
Engineering (IEEE) en su investigación sobre SmartGrids, la nombró “Tecnología Disruptiva” [17].
El transformador convencional de distribución
eléctrica es una tecnología altamente eficiente que ha
perfeccionado su funcionamiento a lo largo de los
años a partir de su invento. Sin embargo, es una pieza
clave que necesita evolucionar para poder integrarse
a los futuros esquemas de distribución eléctrica más
dinámicos.
El TIES constituye la próxima generación en
tecnologías de distribución eléctrica. Se trata de una
tecnología innovadora que integrará los beneficios de
los sistemas digitales y la electrónica de potencia
dentro de las redes eléctricas.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
6
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
Figura 4. Transformador convencional vs. Tecnología TIES.
El TIES presenta numerosas ventajas sobre el transformador convencional de distribución, y es un hecho que se
convertirá en un componente indispensable de las futuras SmartGrids. En México, existe muy poco trabajo en
Investigación, Desarrollo e innovación para el desarrollo de esta tecnología emergente [18-20]. Por su parte,
empresas y grupos de investigación en Estados Unidos (EE.UU.), Europa y Asia están invirtiendo millones de
dólares en su desarrollo.
Resulta indispensable invertir en el desarrollo de esta INNOVADORA tecnología, a fin de acondicionarla a
las necesidades de la red eléctrica nacional y contribuir a su transformación en una SmartGrid y de esta
manera combatir el cambio climático mediante la disminución de GEI.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
7
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
3. DESCRIPCIÓN DE LA TECNOLOGÍA
El TIES es un sistema esencialmente electrónico, a diferencia del transformador convencional, que es
puramente eléctrico. Su tecnología está conformada por una topología en cascada denominada de tres
etapas[21], como se muestra en la Figura 5. La primera etapa de la topología está conformada por un
convertidor de energía CA/CD, es la parte encargada de interconectar el bus de energía de alto voltaje; la
segunda etapa consiste en un convertidor de energía CD/CD con aislamiento de alta frecuencia (TAF), la parte
encargada de fungir como enlace galvánico; finalmente, la tercera etapa está conformada por un convertidor
de energía CD/CA, encargado de proporcionar el bus de bajo voltaje al lado del usuario. La tecnología también
integra una plataforma para control de todos los convertidores (CA/CD, CD/CD y CD/CA); la cual tiene
capacidad de comunicación y es denominada Plataforma de Control y Comunicación (PCC).
Figura 5. Esquema general de un Transformador de Inteligente de Estado Sólido (TIES).
La PCC requiere un microprocesador de última generación con altas prestaciones de cómputo, que dote al TIES
de sus funciones inteligentes. De acuerdo al estudio realizado por el IEEE, se espera que la comunicación
inalámbrica se realizará mediante la tecnología Wi-Fi y la alámbrica con la tecnología de Power Line
Communications (PLC) [17]. La PCC también estará encargada de gestionar la interacción con los sistemas que
integran la SmartGrid, tales como: paneles solares, aerogeneradores, sistemas de almacenamiento de energía,
carga de coches eléctricos, etc.
Dentro de sus componentes principales, la tecnología del TIES integra los siguientes dos elementos
diferenciadores como su principal ventaja:
1. Microprocesador con altas prestaciones de
cómputo; componente electrónico que permite
incorporar todos los beneficios del mundo digital en
forma de nuevos procesos y servicios, que
contribuirán a la transformación de la red eléctrica
convencional en SmartGrid y al del concepto del
transformador convencional actual.
Figura 6. Sistemas embebidos con altas prestaciones de
cómputo.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
8
Five-O
2. Interruptores de potencia basados en
semiconductores de última generación (séptima
generación de Silicio y dispositivos basados en
Carburo de Silicio o SiC). Estos dispositivos permiten
reducir las pérdidas de operación, incrementando la
eficiencia y reduciendo el costo y el tamaño del TIES.
Estos dispositivos recientemente han entrado al
mercado y su disponibilidad comercial es un elemento
clave para el desarrollo de la tecnología del TIES.
Transformador Inteligente de Estado Sólido
Figura 7. Interruptores de Carburo de Silicio (SiC).
Desde el punto de vista técnico, implementar la topología de tres etapas presenta los siguientes retos a
resolver:
Técnicos
 Aplicar técnicas de conversión de energía en alto voltaje
 Desarrollar el convertidor CD/CD con transformador de enlace de alta frecuencia
 Desarrollar la plataforma de control con capacidad de comunicación inalámbrica, alto poder de
cómputo, compacta y económica
 Integra los convertidores de alto voltaje (CA/CD, CD/CD y CD/CA) con la plataforma de control con
capacidad de comunicaciones para conformar el TIES
 Lograr una eficiencia de conversión de energía superior al 95%
 Mantener un tamaño y peso reducido
 Disipar el calor del tanque contenedor del TIES
Científicos
 Desarrollar técnicas de control distribuido en SmartGrids
 Desarrollar algoritmos de control adaptivo para las distintas problemáticas de la red eléctrica
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
9
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
4. ESTADO DE LA TÉCNICA
4.1 Estado del Arte
El concepto de un transformador de energía eléctrica basado en dispositivos de estado sólido fue presentado
por primera vez en la década de los 1950 [22]. El propósito inicial de esta tecnología era convertir de alto voltaje
a bajo voltaje en CA con la misma funcionalidad de un transformador convencional. Desde entonces, el
concepto de transformador de estado sólido (TES) ha mejorado significativamente.
En 1970, la empresa transnacional General Electric (GE) patentó una configuración de enlace electromagnético
de alta frecuencia en CA [23], que posteriormente se utilizaría para introducir el denominado Transformador
Electrónico [24]. Entonces, la única ventaja que ofrecía esa tecnología era la reducción de peso, debida a la
integración de un transformador de enlace de alta frecuencia (TAF). Actualmente, el TAF es la base de la
mayoría de los TES y TIES modernos.
Posteriormente, durante los la década de los 80s, investigadores de la Marina de EE.UU. propusieron una
topología que lograba la reducción de un voltaje de entrada [25]. Esta idea fue trabajada en 1995 en el Electric
Power Research Institute (EPRI) [26]. Sin embargo, esos trabajos derivaron prototipos que operaban en niveles
de voltaje y potencia con órdenes de magnitud muy por debajo de los niveles de una red de distribución.
A partir de 1990, la tecnología del TES logró un progreso significativo. En 1996, se introdujo la idea de un
“transformador inteligente” [27], el cual no sólo reducía significativamente el tamaño del transformador
mediante el uso del TAF, sino que también integraba funcionalidades adicionales como voltaje y potencia
constante, logradas mediante técnicas de control. Esta topología fue implementada en una unidad de 200V a
3kVA y reportó una eficiencia del 80% como una de sus mayores desventajas.
De 1997 a 1999, en la Texas A&M University (TAMU) [28-32], se inició el estudio de topologías que presentaban
como beneficios la reducción de tamaño del transformador y un factor de estrés más aceptable en los
dispositivos de conmutación. Sin embargo, no proporcionó ningún beneficio en términos de control y mejora
de calidad de la energía.
En 1999, una nueva topología de TES basada en tres etapas fue patentada por Sudhoff [33] y ampliamente
analizada por su grupo de trabajo [34 y 35]. Esta topología es la más empleada actualmente para el desarrollo de
TES.
De 1995 a la fecha, el EPRI ha trabajado en un magno proyecto en conjunto con las empresas ABB, Emerson
Electric, University of Missoury, University of Wisconsin Madison, TAMU y University of Virginia Tech para el
desarrollo del Transformador Inteligente Universal (del Inglés Intelligent Universal Transformer, IUT™) [36-40]. Tal
propuesta consiste en reemplazar al transformador convencional de distribución con un sistema multinivel
basado en electrónica de potencia, que sea controlable e inteligente, que pueda proveer de múltiples
funciones, tales como transformación de voltaje, regulación de voltaje, voltajes comerciales no estándares (CD
o 400Hz CA), corrección de caídas de voltaje, en mejorar la calidad de la energía e integrar sistemas de
supervisión, control y adquisición de datos (SCADA) en tiempo real. En los años 2004-2005 probaron un modelo
monofásico IUT™ de laboratorio para transformar de 2.4kV a 120/240V con 20kVA [40]. El prototipo fue
diseñado usando dispositivos semiconductores disponibles en el mercado para probar el diseño conceptual del
sistema propuesto. Es en este punto que nace el concepto de un “transformador inteligente”, como
consecuencia de integrar una tarjeta de control con capacidad de comunicación a una red eléctrica.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
10
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
Avances recientes en la tecnología de semiconductores han hecho posible el desarrollo de dispositivos de
carburo de silicio (SiC) [41], una tecnología con mayores capacidades de voltaje y conmutación que los
tradicionales dispositivos de silicio (Si). Esta tecnología ha llegado principalmente para reemplazar al Si en
aplicaciones de alto voltaje y altas frecuencias de conmutación. Esta característica resulta ideal para el
desarrollo de topologías más simples de TES, para aplicaciones en distribución eléctrica [42]. Por este rumbo se
pueden encontrar los principales avances tecnológicos de TES, principalmente desarrollado por el grupo del Dr.
Huang en el FREEDM [43 y 44]. Sin embargo, la tecnología basada en dispositivos de estado sólido tipo SiC todavía
se encuentra en etapa de investigación y sus costos son muy elevados, debido al bajo volumen de consumo a
nivel comercial.
En lo que respecta a topologías de TES basadas en tecnología de dispositivos de conmutación más asequibles [45
y 46]
y con la capacidad de proporcionar todas las funcionalidades deseadas, se puede destacar la denominada
de tres etapas propuesta en [21] y que se muestra en la Figura 8.
Figura 8. Topología modular de tres etapas para un TES o TIES.
La tecnología SiC ha llegado principalmente para reemplazar al silicio (Si) en aplicaciones de alto voltaje y
altas frecuencias de conmutación. Sus características resultan ideales para desarrollar una tecnología TIES más
avanzada.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
11
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
4.2 Análisis Cienciométrico
El TIES es una tecnología con gran potencial de explotación en investigación, desarrollo e innovación (I+D+i). De
acuerdo con un análisis cienciométrico, realizado en el año 2015 por LiCore, se encontró que existe una
cantidad menor a 200 publicaciones relacionadas con el tema, entre revistas, artículos y tesis. En los últimos
años, el interés a nivel mundial por el desarrollo de esta tecnología ha aumentado (68.34%), gracias a los
recientes avances en tecnologías de materiales para dispositivos de conmutación (SiC), tal como se observa en
la Figura 9a. Del total de publicaciones, un porcentaje muy bajo (1.18%) corresponde a trabajos realizados en
México [16-20], como se muestra en la Figura 9b.
(a)
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
12
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
(b)
Figura 9. (a) Número de publicaciones por año; (b) Producción científica por país, tecnología del TIES.
4.3 Análisis Patentométrico
En la Tabla 1 se presentan algunos de los elementos arrojados en una primera búsqueda realizada en la base de
datos del Instituto Mexicano de la Propiedad Intelectual (IMPI) [47], para las siguientes palabras clave:
Transformador de Estado Sólido (TES); Transformador Inteligente (TI); Transformador Inteligente de Estado
Sólido, Transformador de Alta Frecuencia; Plataforma de Control y Comunicaciones para TES/TI/TIES.
Tabla 1 Patentes relacionadas con la tecnología del TIES.
Inventores
Asignado
Id
Título
1
2
Power Converter Circuits Having a High
Frequency Link
Deep Diode Solid State Transformer
3
Solid-State Power Transformer Circuit
4
High Power Factor Electronic Transformer
System for Gaseous Discharge Tubes
5
Solid State Transformer
6
Multifunction Hybrid Intelligent Universal
Transformer
W. McMurray
Fecha
General Electric
Company
General Electric
Company
Wayne State University
Junio
1970
Febrero
1975
Junio
1992
Bertonee, Inc.
Julio
1995
Scott D. Sudhoff
ABB Power T&D
Company Inc.
Agosto
1999
Jih-Sheng Lai
Arshad
Mansoor
Arindam Maitra
Frank Goodman
Electric Power
Research Institute Inc.
Octubre
2005
Anthony;
Thomas R.
Gang Liu
Michael P. Polis
Beijing Wang
Guang Liu
Número de
Patente
3 517 300
US004 024
565
US005 119
285 A
US005 430
635
A
US005 943
229
A
US006 954
366 B2
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
13
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
7
Multilevel Converter Based Intelligent
Universal Transformer
8
Soft Switching Power Electronic
Transformer
9
Soft Switching Power Electronic
Transformer
Jih-Sheng Lai
Arshad
Mansoor
Arindam Maitra
Frank Goodman
Ranjan Kumar
Gupta
Mohapatra
Ned Mohan
Castelino
Basu
Ranjan Kumar
Gupta
Mohapatra
Ned Mohan
Castelino
Electric Power
Research Institute Inc.
Mayo
2006
US007 050
311 B2
Regents of the
University of
Minnesota
Enero
2011
US2011
0007534
A1
Regents of the
University of
Minnesota
Mayo
2013
US008 446
743 B2
Figura 10. Producción de patentes por país en tecnología TIES.
Estos análisis muestran que México está muy atrás en el desarrollo de la tecnología del TIES y requiere de
inversión para formar parte de la carrera internacional de las SmartGrids.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
14
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
5 IMPACTOS
A continuación se presentan los principales testimonios recabados, a partir entrevistas llevadas a cabo de
mediados de 2014 a inicios de 2015, en una muestra plural de actores de los sectores AMBIENTAL, SOCIAL,
GUBERNAMENTAL, TECNOLÓGICO y de MERCADO en México, en torno al desarrollo del TIES y aplicaciones
relacionadas, como la SmartGrid.
5.1
Ambiental
Mtro. Alberto Rojas Rueda (ARR) - Coordinador de Campaña de Energía y Cambio Climático,
Greenpeace México, A.C. (Organización global de campañas fundada en 1971, que lucha por la
protección y la conservación del medio ambiente y que promueve la paz).
Lic. en Medicina. y Lic. en Ciencias Políticas y Gobierno, UNAM.
Especialista en manejo integrado de residuos sólidos municipales y peligrosos, Medio ambiente y
naturaleza, CENICA-INE/JICA.
Especialista en Política Energética y Medioambiental, Ciencias Políticas y Gobierno, Facultad
Latinoamericana de Ciencias Sociales.
Maestro en Gestión y Auditoría Ambiental, con especialidades en Manejo de Residuos y Contaminación
Marina, Universitat Politècnica de Catalunya.
Cuenta con trece años de experiencia profesional en temas relacionados con política ambiental. Ha
trabajado en el Poder Legislativo Federal (Comisión de Medio Ambiente y Recursos Naturales), en
gobiernos locales (estatales), así como para organismos internacionales y no gubernamentales como
consultor independiente, desarrollando exitosamente proyectos relacionados con cambio climático,
calidad del aire, gestión integral de residuos y otros relacionados con la gestión ambiental. Ha ofrecido
cursos de negociación y manejo de conflictos ambientales, así como impartido cátedra de política y
derecho ambiental a nivel universitario.
Ing. Vicente Estrada Cajigal (VEC) - Gerente General,
Solartronic (Empresa ubicada en México y fundada en 1990, dedicada a la comercialización de equipos y
sistemas fotovoltaicos).
Ing. Mecánico, UNAM. Ha publicado más de 40 artículos técnicos relacionados con la energía solar. Ha
publicado la columna LIBRESPACIO en el Diario de Morelos y en el periódico UNO Más UNO con más de
30 artículos con temas diversos de interés general. Es co-autor del libro, Solar Energy – The State of The
Art, publicado por ISES (2001). Ha dirigido tres tesis de Licenciatura y dos de Especialidad. Miembro
Fundador de la Asociación Nacional de Energía Solar, A.C. Miembro fundador de la Asociación de la
Industria del Software, A.C. Miembro patrocinador “plateado” de la International Solar Energy Society.
Fue representante de México ante la Red Iberoamericana de Solarimetría (RISOL) de 1998-2001. Ha sido
Conferencista invitado de la Universidad del Bajío (León, Guanajuato), de la Universidad Nacional
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
15
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
Autónoma (Heredia, Costa Rica), de la Universidad Nacional de Salta (Salta, Argentina) y de la
Universidad Iberoamericana (Santa Fe, México, D.F.) así como en diversos eventos nacionales e
internacionales con los temas de Evaluación del Recurso Solar, así como de Comercio Electrónico. Ha
sido consultor externo para el Centro de Investigación en Energía y del Instituto de Ingeniería, ambos de
la UNAM, así como de la Comisión Federal de Electricidad, Sandia National Laboratories y del National
Renewable Energy Laboratory en EE.UU. Por su destacada actividad en el aprovechamiento de la red
Internet, ha sido entrevistado por las revistas Alto Nivel y Expansión (2000). Se hace referencia en el libro
“.com probado” a la empresa Victeck Internet (México, 2002) por su experiencia en el Comercio
Electrónico. Creador de los buscadores: mexicoglobal.com, avispanet.com y metabuscador.com.mx que
fueron nominados en el Top 10 de los Premios i-Best a lo más destacado en Internet (2001-2002).
5.1.1 Beneficios
ARR: Es necesario desarrollar infraestructura para soportar nuevos mecanismos de generación que puedan ser
domiciliarios o a pequeña escala y que la red pueda soportar el ingreso de esa energía.
La Estrategia Nacional de Energía está dirigida a las grandes empresas, no para la sociedad en general. En
Alemania, en contraste, más del 30% de la generación eléctrica es por personas físicas desde sus domicilios y
eso sí es democratizar la energía.
Para los ciudadanos sería ideal que en los condominios, casas habitación o ranchos pudiera haber generación
de energía, ya sea solar, eólica o híbrida e ingresar al sistema eléctrico nacional. Entonces efectivamente se
reduciría la dependencia del país, habría seguridad energética y bajarían los costos.
VEC: Las Redes Eléctricas Inteligentes (SmartGrids) traen como principal beneficio la eficiencia del sistema. El
mayor impacto es cuando estos sistemas aprovechan las energías renovables, como la eólica o solar. La
eficiencia resulta al evitar pérdidas por transmisión y distribución, ya que al existir una Red Inteligente hay
mayor control de energía.
5.1.2 Oportunidades
ARR: En lo que respecta al mercado, fomentar la parte de responsabilidad social empresarial a través de dos
vías: responsabilidad extendida del productor y comercializador, donde ofrezcan que cuando se venda un
producto, cuenten con la garantía de que al ser inútil se brinde el servicio de retirarlo, regresarlo a la planta y
reaprovecharlo. Serían la única empresa que lo hace y tendrían un valor que muchas organizaciones les
reconocerían.
5.1.3 Retos
ARR: Las normas para promover las Redes Inteligentes ya están en revisión; y ya está previsto en la nueva
legislación y reglamentación, pero en temas de energías renovables todavía no, porque la legislación aprobada
no incluyó un paquete de fomento a renovables.
VEC: Muchas veces son empresas transnacionales las que aprovechan los recursos gubernamentales bajo el
esquema de innovación, cuando lo que hacen simplemente es cambiar su maquinaría obsoleta por una más
nueva.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
16
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
Las políticas públicas no se adaptan a las necesidades y circunstancias del emprendedor nacional y en ese
sentido, México tiene que replicar casos de éxito de otros países, como Estados Unidos, donde es muy común
el capital de riesgo, como forma de financiamiento.
5.1.4 Recomendaciones
ARR: Luego de aprobarse en la Cámara de Diputados, está en discusión en el Senado. La petición y
recomendación es para que organizaciones como ustedes cabildeen, ya que su mercado está dirigido a
generación distribuida de energía eléctrica, y esa iniciativa de ley permitirá que haya Redes Inteligentes
relacionadas a la generación distribuida.
Otra recomendación es buscar un mapeo de actores u organizaciones aliadas que puedan potenciar sus
intereses, y con las que puedan hacer alianzas, tales como: el Centro Mexicano de Derecho Ambiental (CEMDA)
o Latin American Climate Action Network o Pronatura.
VEC: Es muy importante seguir trabajando en este sistema, porque las energías renovables y los sistemas
fotovoltaicos se seguirán instalando y habrá millones de sistemas en el país. Si no se tiene una red inteligente
en el país, difícilmente se podrá controlar la generación y distribución de energía.
Aprender de casos de éxito de transferencia de tecnología, como fue el caso de los aerogeneradores de la
empresa Gamesa, que en su momento no tenían el conocimiento necesario para implementarlos, pero hubo
una transferencia de tecnología y en algún momento se vuelve independiente y ahora es exitosa en ese
mercado.
5.2
Social
Ing. José de Jesús Celis Alarcón (JJCA) - Secretario General,
Asociación Nacional de Energía Solar (ANES) (Sección mexicana de la Sociedad Internacional de Energía
Solar; fomenta el uso de tal energía en sus manifestaciones directa e indirectas).
Ingeniero Mecánico, ITESM.
Cuenta con el Premio ASME Petroleum Division 2001; Premio Emprendedores – Tecnológico de
Monterrey 2004; Premio Invest Mexico 2008, otorgado por el Sistema de Aceleradoras de Negocios del
Tec de Monterrey y la Arizona State University.
Ha sido finalista en el Concurso para Innovación en Energía por parte del Banco Interamericano de
Desarrollo y la República de Corea del Sur en 2009; así como en el V Premio Santander a la Innovación
Empresarial.
Ha desarrollado diversos proyectos de energía solar, eólica, biogás y eficiencia energética.
Por su experiencia profesional ha sido acreditado como Consultor ante el Catálogo Nacional de
Capacitadores de la Secretaría del Trabajo y Previsión Social, así como Evaluador Acreditado del Consejo
Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT).
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
17
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
Es ex becario de Energía del Programa “American Council of Young Political Leaders” del Departamento
de Estado del gobierno de Estados Unidos.
Además del cargo directivo en la ANES, actualmente es Gerente de Energía en Honeywell México.
Lic. Miguel Ángel de la Vega Arévalo (MAVA) – Consultor,
Sustenta Ciudadanía, Consultoría y Acompañamiento para OSC (Consultoría que asesora proyectos
sociales e iniciativas de incidencia para que puedan ser sustentables en el largo plazo).
Administrador de Empresas, UIA.
Cuenta con estudios de especialidad realizados en México y Chile. En su carrera profesional se ha
dedicado de forma exclusiva al trabajo con organizaciones de la sociedad civil (OSC). Entre su experiencia
destaca su trabajo en el Distrito Federal con el Centro Mexicano para la Filantropía (Cemefi) y la
Fundación Pro Niños de la Calle; en Puebla, con el Instituto Poblano de Readaptación, A.C. (Ipoderac); y,
en Puerto Vallarta, como Director Ejecutivo de la Fundación Punta de Mita. Su más reciente colaboración
fue como Director Ejecutivo de Alternativas y Capacidades, A. C.
Ha participado en procesos de incidencia y articulación sobre el marco fiscal federal para la reforma
fiscal y con la Red por la Infancia y la Adolescencia Puebla, para la promulgación de la primera ley estatal
sobre derechos de la infancia. Ha asesorado a y colaborado con redes de OSC, así como con fundaciones
y donantes diversos, nacionales e internacionales, incluyendo dependencias gubernamentales y
programas universitarios, en México, Chile y Estados Unidos.
Actualmente, además de sus proyectos de consultoría y clases universitarias, participa en un proyecto de
investigación sobre el marco legal de fomento a la sociedad civil en conjunto con el International Center
for Non-Profit Law en Washington, D.C. e investigadores de seis países de América Latina.
5.2.1 Beneficios
MAVA: En lo que se refiere a la eficiencia en el uso de energía, generará mayor transparencia y rendición de
cuentas por parte de la CFE. Si contamos con transformadores más eficientes, el costo para el usuario final
podría ser menor, y de esa manera, el beneficio no sólo sería para los hogares, sino también para que México
sea más productivo y competitivo.
5.2.2 Oportunidades
JJCA: Un nicho de oportunidad son las empresas que consumen grandes volúmenes de electricidad. Hay
compañías que pagan hasta 6 millones de pesos de luz al mes.
Lo recomendable es hacer primero el plan de negocios en cualquier institución, pero lo ideal es que lo evalúe el
Tec de Monterrey, porque por algo el Instituto de Investigaciones Eléctricas, órgano desconcentrado de la CFE
firmó un convenio de colaboración para que revisen sus planes de negocios.
MAVA: El ahorro en términos de energía es la principal oportunidad que puede surgir a corto plazo.
5.2.3 Retos
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
18
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
JJCA: El tema del monitoreo es un punto medular, porque cerca de 17% de pérdidas no son técnicas, sino por
robo de electricidad. El reto es cómo poder ampliar el monitoreo de la demanda eléctrica que tienen algunas
zonas, pero es un problema de falta de recursos económicos, por tal motivo muchos de los proyectos se
encargaban al Instituto de Investigaciones Eléctricas o a la UNAM, porque los precios eran más accesibles.
El problema es que son pérdidas no técnicas, por robo o también por gente que no paga. Es un problema serio,
hay que dar subsidios quieran o no, en las grandes ciudades lo vemos de una manera muy simple, por ejemplo
los tianguistas que cuelgan los cables y están robando electricidad, pero la CFE no tiene la suficiente capacidad
para cortar todos esos cables –y cuando algunos gobiernos lo han intentado, se han metido en serios
problemas.
No es tanto un problema técnico, sino social y político. Si queremos tener una red eléctrica confiable, es
necesario quitar subsidios, ese es el grave problema. Pero, qué va a pasar con toda la gente que vive con
menos de un dólar o menos a la semana.
Otro reto es el tema de normas, al desarrollar algún tipo de tecnología, tiene que ser validada por el
Laboratorio de Pruebas, Equipos y Materiales (LAPEM) de la CFE, y ese trámite cuesta tiempo y dinero.
MAVA: Las organizaciones civiles tienen que fortalecer su sistema, porque algunas carecen en la capacidad de
incidir en política pública, con herramientas como el conocimiento técnico, no sólo sobre tecnología sino del
ciclo de política pública, saber ante quién presentar las demandas y cómo construirlas de manera profesional
para poder incidir de manera efectiva.
La articulación con otros entes sociales es de suma importancia.
5.2.4 Riesgos
JJCA: El principal riesgo es que un gran competidor llegue a abaratar sus costos, por eso es recomendable
tomar cursos de capacitación de negocios con energía, identificar quién va a ser su mercado.
MAVA: Se tendría que analizar el factor costo-beneficio, ver cuánto sería la inversión en la producción de esa
tecnología, así como también los costos de mantenimiento.
Asimismo, se debe tener cuidado de los posibles monopolios que pudieran surgir de la implementación de esos
sistemas. Podría pasar que más que favorecer la democratización de esta tecnología, en algún momento la
privaticen.
Otro riesgo es qué tanta sea la dependencia de tecnología externa, lo cual nos puede hacer vulnerables. Tal es
el caso de las variaciones del dólar.
5.2.5 Recomendaciones
MAVA: Hay que maximizar el rendimiento de la producción para poder competir con el extranjero.
En el peor de los escenarios, que no se pudiera competir por ejemplo con China o India, puede resultar
conveniente asociarse con empresas de allá.
Finalmente, se tiene que trabajar en cómo se difunden los temas de tecnología, pues hay mucho
desconocimiento sobre el tema y a veces es necesario traducir la información a conceptos de beneficio.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
19
Five-O
5.3
Transformador Inteligente de Estado Sólido
Gubernamental
Ing. Israel Jáuregui Nares (IJN) - Director General Adjunto de Gestión para la Eficiencia Energética,
Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (CONUEE) (Órgano administrativo
desconcentrado de la Secretaría de Energía, dedicado a promover la eficiencia energética y fungir como
órgano técnico en materia de aprovechamiento sustentable de la energía).
Ingeniero Mecánico Electricista, UNAM –donde también realizó estudios de posgrado en Ingeniería
Energética.
Ha destacado en temas de Ahorro de Energía. En una primera etapa trabajó por más de 10 años en la
Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, como Director de Prospectivas y Desarrollo de Proyectos.
Posteriormente se desempeñó como Gerente de Eficiencia Energética de Grupo Salinas donde desarrolló
un exitoso programa de eficiencia energética, con el cual ganó el Premio Nacional de Ahorro de Energía
en sus ediciones 2010 y 2012. A partir de marzo del 2013 es Director General Adjunto de Gestión de la
Eficiencia Energética de la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía.
Mtro. Nahúm Román Vargas (NRV) - Jefe de la Unidad de Ingeniería Avanzada, Subdirección,
Centro Nacional de Control de Energía (CENACE) (Operador del Mercado Eléctrico Mayorista, encargado
de asegurar el funcionamiento confiable de las redes de Transmisión y las redes Generales de
Distribución, así como la Operación Eficiente del Mercado).
Ingeniero Electricista, IPN. Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica, IPN.
A partir de 1992 ha colaborado en el CENACE, en las siguientes áreas y posiciones:
Área de Control Oriental: Ingeniero Analista de Redes Eléctricas; Supervisor de Turnos de Operación; y
Jefe del Departamento de Análisis.
Subdirección: Jefe del Departamento de Aplicaciones en Tiempo Real; Auxiliar Técnico Especializado; y
actualmente es el Jefe de la Unidad de Ingeniería Avanzada.
Adicionalmente, publica regularmente en Congresos desde 2001.
5.3.1 Beneficios
IJN: La implementación de esta tecnología será un cambio importante en la sociedad mexicana y del mundo.
Tener una Red Inteligente permitirá hacer más eficientes los sistemas de generación, transmisión, distribución
y comercialización de la energía eléctrica.
NRV: Cuando se habla de altas potencias, el impacto es principalmente en el control del voltaje de la red, de
frecuencia y la distribución de flujos de potencia en las redes eléctricas. Cuando se trata de tecnología
intermitente, se le da un pronóstico por los impactos que pudiera tener en la planeación de la operación.
5.3.2 Oportunidades
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
20
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
IJN: Con la reforma energética, se planteó que la instancia para las licitaciones ya no será la CFE y apenas se
está haciendo el cambio para que el Centro Nacional de Control de Energía (CENACE) sea la instancia
reguladora, que trabaje de manera independiente y se realicen las licitaciones bajo el nuevo régimen legal.
NRV: La Secretaría de Energía está desarrollando un Atlas y un Inventario Nacional de Energías Renovables, que
se refiere a la potencialidad de diferentes partes del país. De esa manera, se podrá ver el mapa de la República
e indicará la densidad de radiación en cada región durante el año. Esto va dirigido a los desarrolladores o
inversionistas. (El proyecto está basado en un programa implantado por Estados Unidos, en donde cualquier
inversionista o emprendedor podrá buscar qué políticas o financiamientos aplican de acuerdo a la zona o
estado donde se pretenda desarrollar).
5.3.3 Retos
IJN: La implementación de este tipo de red requiere de un complejo sistema con servidores, computadoras y
actuadores.
Pero el principal reto es la educación, ya que es necesario enseñarle a los usuarios de energía la potencialidad
de una REI, así como sus beneficios y riesgos.
NRV: Falta más difusión en cuanto a las facilidades que otorga el gobierno a desarrolladores de tecnologías
limpias, tanto en políticas públicas como financiamientos.
5.3.4 Riesgos
IJN: En el aspecto técnico, sería que los organismos involucrados en el sector eléctrico, como los proveedores
de productos y servicios y reguladores, no avanzaran a la misma velocidad que el desarrollo tecnológico.
NRV: Sí hay riesgos, porque requerimos mediciones cada vez más precisas y rápidas del comportamiento de la
red eléctrica.
5.3.5 Recomendaciones
IJN: Para poder competir, los nuevos desarrolladores de estas tecnologías deben de estar a la par de las
empresas trasnacionales. Que sus productos cumplan con la normatividad y que puedan ser medidos por sus
estándares de calidad.
NRV: Dar difusión en las escuelas para que esto detone: que en las matrículas y contenidos haya más temas
sobre energías renovables. Y al tratarse de soluciones de mediano y largo plazo, primero se debe formar el
cuerpo técnico.
En segundo lugar, es importante realizar asociaciones con las escuelas, para implementar nuevos desarrollos y
complementarse con los conocimientos y especialidades en cada área. Además, es importante hacer vínculos
con el Instituto de Investigaciones Eléctricas.
5.4
Tecnológico
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
21
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
M. en C. Carlos Gustavo Azcárraga Ramos y M. en C. Miguel Ángel Zapata Azarcoya (CGAR-MAZA) – Jefes de
proyectos,
Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) (Centro de investigación del Sector Energía, dedicado
principalmente a las áreas eléctrica y energética de México, y constituido como organismo público
descentralizado de la Administración Pública Federal).
Carlos Gustavo Azcárraga Ramos es Ingeniero Electromecánico egresado con Honores del Instituto
Tecnológico de Zacatepec (1991-1995) y Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica con Mención
Honorífica, IPN (2002-2004).
En 1996 ingresó al programa de Adiestramiento en Investigación Tecnológica (AIT) en el IIE, en la línea de
transformadores y equipo primario de subestaciones. Ahí se capacitó en técnicas de instrumentación
virtual y en el modelado de equipo eléctrico de alta tensión mediante simulación por el método de
elemento finito y por EMTP. Asimismo, durante este periodo participó en el diagnóstico en línea y fuera
de línea de transformadores de potencia, máquinas eléctricas rotatorias y equipo primario de
subestaciones de fabricantes nacionales e internacionales, instalados en refinerías de PEMEX y en
centrales generadoras y subestaciones de la CFE. En 1997 fue contratado por la Gerencia de Equipos
Eléctricos del IIE, donde hasta hoy se desempeña como Jefe de Proyecto, implantando nuevas técnicas
de evaluación de la integridad mecánica y dieléctrica de transformadores y equipo primarios de
subestaciones.
Ha dirigido becarios de Adiestramiento en Investigación Tecnológica, Tesis de Licenciatura y Tesis de
Maestría en Ingeniería Eléctrica. Ha sido catedrático en distintas instituciones de educación superior del
Estado de Morelos y ha dictado cursos especializados a especialistas del sector eléctrico nacional a nivel
Maestría.
Ha publicado diversos artículos en foros nacionales e internacionales acerca del diagnóstico de la
integridad dieléctrica de equipos de alta tensión. Representa al IIE en los Comités de especialistas en
equipo de desconexión y transformadores de distribución de la CFE y a México en el Comité de Estudios
SC A3 High Voltage de CIGRÉ.
Miguel Ángel Zapata Azarcoya es egresado del Centro Nacional de Investigación y Desarrollo
Tecnológico como Maestro en Ciencias de la Ingeniería Electrónica en el 2001. Ingresó al IIE como asesor
externo en el 2002 y como investigador en el 2004. Ha participado en proyectos de diagnóstico en línea
de generadores, así como en el diseño de sistemas resonantes. Actualmente participa como jefe de
proyecto del Diseño y Construcción de Fuentes de Frecuencia Variable para aplicación en sistemas
resonantes.
Dr. Francisco Javier Pérez Pinal (FJPP) – Profesor-Investigador,
Instituto Tecnológico de Celaya (ITC) (Institución pública de educación, fundada en 1958, dedicada a la
educación superior en niveles de licenciatura, maestría y doctorado).
Lic. en Ing. en Comunicaciones y Electrónica, IPN. M. en C. en Electrónica y Manejadores de Potencia,
University of Birmingham and Nottingham. Dr. en Ingeniería Eléctrica, Universidad de San Luis Potosí.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
22
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
Ha sido profesor-investigador en: McMaster University y Mohawk College of Applied Artsand Technology
(Canadá), la Universidad Politécnica de Pachuca (México) y el Instituto Tecnológico y de Estudios
Superiores de Monterrey (México).
Ha realizado estancias de investigación en Manchester University y en Illinois Institute of Technology
(EE.UU.).
Es autor de un libro y autor/coautor de más de cuarenta artículos en revistas y congresos
internacionales.
Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores, Nivel 1, Conacyt (2015). Primer lugar en Mejor tesis
doctoral, área de eficiencia energética, IIE, CFE, FIDE, México 2009. Premio Nacional de Energía
Renovable, área de innovación, Secretaría de Energía, Sener, México 2008. Becario Comexus-Fulbright
García-Robles 2006.
Ha dirigido y codirigido doce proyectos científicos y tecnológicos nacionales/extranjeros relacionados
con la industrias aeronáutica, automotriz y energía eléctrica, con un monto total acumulado de cuatro
millones de dólares.
M. en C. Josué Darío Constantino Bernal (JDCB) - Ingeniero de proyectos
Somerset Technologies (Empresa dedicada al escalamiento tecnológico y al desarrollo de tecnología).
Ingeniero en Electrónica, con Especialidad en Control e Instrumentación, Instituto Tecnológico de Tuxtla
Gutiérrez. Maestro en Electrónica de Potencia, Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
(CENIDET).
2006 - 2007 Comisión Federal de Electricidad (CFE) - Presa Raudales Malpaso, Chiapas. Prácticas
profesionales.
2007 - 2010 Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). Ingeniero en Electrónica.
2012 - 2014 Profesor por asignatura en la Universidad Politécnica del Estado de Morelos.
Desde 2014 se desempeña como Ingeniero de proyectos en Somerset Technologies.
5.4.1 Beneficios
CGAR-MAZA: Es bienvenido cualquier proyecto enfocado a reducir pérdidas. Un tema relacionado con redes
del futuro son las Redes de Corriente Directa, que permitan tener un control más efectivo cuando sea masiva la
inyección de energía renovable intermitente, algo que está ocurriendo ya en Europa y otras partes del mundo
desarrollado.
JDCB: Es un buen desarrollo que tendrá un gran impacto, ya que el objetivo está enfocado a la eficiencia
energética. El impacto va ser determinado de acuerdo a cómo resuelve las necesidades de los hogares o de las
empresas, en la medida en que puedan ver el ahorro de energía reflejado en su economía.
5.4.2 Oportunidades
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
23
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
CGAR-MAZA: La tendencia general en México es de seguir los estándares internacionales (particularmente en
términos comerciales), originados en Europa y Norteamérica, debido a la conectividad y cercanía.
Nuestro Instituto, el IIE, es muy grande y hay muchos grupos trabajando con mediciones inteligentes, en
interface entre la red y el usuario, se trabajan también aplicaciones para la transmisión, y ahí hemos seguido
algunos estándares en lo que respecta a las comunicaciones, todo depende de cada aplicación. Para
aplicaciones de medición y medidores inteligentes, me parece que además de eso, se irán por unidades
fotovoltaicas.
FJPP: En el ITC, actualmente hay cuatro proyectos ya sometidos ante diferentes dependencias para
implementar la Red Eléctrica Inteligente en la institución.
En particular, estoy investigando el efecto de los cargadores de baterías para los carros eléctricos e híbridos.
La idea es continuar en colaboración con varias industrias y que los participantes se dediquen a la investigación
o que se incorporen al mercado laboral.
JDCB: Las tendencias en cuanto a la ciencia y el mercado se dirigen hacia la comunicación de sistemas con la
red eléctrica, el consumo en los hogares y los accesos a personas en edificios habitacionales.
Hacer una investigación sobre TIES sería una muy buena opción para mejorar la distribución a empresas y casas
habitación.
Tenemos en México a gente muy preparada y con todas las capacidades para desarrollar nuevas tecnologías de
este tipo.
5.4.3 Retos
CGAR-MAZA: Tal vez convendría precisar a qué nos referimos con Transformador Inteligente, porque ustedes
están trabajando en un transformador de estado sólido, eso es todo un proyecto dentro de los
transformadores convencionales. Un Transformador Inteligente debe tener la capacidad de reconocer y autodiagnosticarse de acuerdo a los cambios en el entorno.
FJPP: El reto es que la gente esté capacitada y pueda entender lo que se tiene que hacer de acuerdo a los
protocolos, porque no existen ni siquiera los planes de estudio.
Entonces llegará la tecnología, pero faltará gente capacitada en el sector eléctrico, electrónico y de
comunicaciones. Pasará algo semejante a lo que sucedió en Canadá, donde empezaron a importar gente de
otros países.
México aún no ha desarrollado la suficiente tecnología y, ahora que viene este cambio, los retos son aún más
fuertes. Por ejemplo, en Canadá ya se da este tipo de tecnología, donde se hizo una inversión muy fuerte en
hardware. Sin embargo, en México apenas se empieza a pensar en ese tipo de desarrollos.
La única forma de trabajar es mediante la colaboración. Además, hacen falta incentivos para los investigadores.
Desde 2009 ha habido un poco más de inversión, pero también hace falta cambiar las estructuras en algunas
instituciones, ya hay oficinas de transferencia tecnológica.
Ya se sabe que hay una necesidad, hay algunas soluciones, solo falta aplicarlas.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
24
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
Además los industriales en México están acostumbrados a invertir poco y obtener resultados inmediatos, para
ellos es más fácil seguir importando tecnología, sin embargo es importante desarrollar la propia.
JDCB: Los Transformadores Inteligentes de Estado Sólido (TIES) son una nueva tecnología, que como muchas,
tiende a no ser tomada en cuenta por las empresas al principio. Debido a que este desarrollo no ha sido
aplicado, tienen miedo de experimentar.
La energía es la base del mundo y el reto es cómo hacerla y cómo distribuirla, todo está enfocado a desarrollar
alta tecnología electrónica, componentes con dimensiones más pequeñas y definir procesos para mejorar las
fallas de estos nuevos desarrollos.
5.4.4 Recomendaciones
CGAR-MAZA: Dependerá mucho del precio del equipo y de su confiabilidad.
Ver el tema de compatibilidad.
Otro aspecto muy importante es el mantenimiento y pruebas.
También habría que ver cuáles serían los límites de operación del transformador.
Por otro lado, se tendría que revisar cuántos años puede durar el funcionamiento de esta tecnología.
Incluso para poder implementar un nuevo dispositivo en red eléctrica, tiene que pasar pruebas de prototipo y
deben establecerse de forma normalizada.
Un factor en contra es si logran hacer un transformador inteligente pero no compite en eficiencia. El riesgo es
que cuando esté listo el TIES, los medidores podrían estar demasiado desarrollados y entonces la salida de
eficiencia del transformador y el transporte de la información de la red, la esté cargando el medidor
inteligente.
El TIES debe tener muchas posibilidades de mantener la regularización de tensión.
FJPP: Revisar la cuestión de las patentes, pues en 2011 fue registrada la de un Transformador Inteligente.
Buscar colaborar con el Instituto de Investigaciones Eléctricas, que les podría dar mucho empuje. También si se
pretende llevar su prototipo al mercado, es recomendable tener contacto con el Laboratorio de Pruebas
Equipos y Materiales (LAPEM) ubicado en Irapuato, donde están por abrir un área para realizar pruebas con
sistemas de energía renovable. La ventaja con el LAPEM es que las pruebas que elaboran ya las certifican, y es
algo que se necesita para comercializar este tipo de desarrollos en México.
Es importante también establecer células de conocimiento sobre comunicaciones para converger con la
tecnología desarrollada en otros países.
5.5
Mercado
Lic. Darío Acosta Sinencio (DAS) – Gerente de Consultoría,
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
25
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
Stage-Gate International filial América Latina – México (Consultoría que ayuda a las empresas a
acelerar el desempeño en la innovación, con herramientas y productos varios como su modelo idea-alanzamiento).
Es Licenciado en Sistemas, con Especialidades en Dirección Estratégica y Gestión de la Innovación;
Dirección de Proyectos, Desarrollo Organizacional, Alta Dirección, Aceleración del Cambio y Reingeniería
de Procesos. Cuenta con Certificaciones en Dirección de Proyectos, Lean Six Sigma y consultoría
empresarial.
Cuenta con 30 años de experiencia participando en proyectos de implementación de mejores prácticas
de innovación y lanzamiento de productos, estrategia de negocios, iniciativas de calidad y tecnologías de
información en los sectores de: banca, tecnologías de la información, bienes de consumo, logística y
gobierno.
En su actual posición se especializa en la definición y ejecución de proyectos de desarrollo de
capacidades de innovación en las empresas.
Ing. Cristian Alberto Ruiz Duarte (CARD) - Jefe de Aseguramiento de Calidad Eléctrica,
Andritz Hydro – Morelia, México (Proveedor global de sistemas y servicios electro-mecánicos para
plantas hidroeléctricas. Líder en el mercado mundial de generación hidráulica de electricidad).
Ingeniero en Electrónica, con Especialidad en Electrónica de Potencia, Instituto Tecnológico de Morelia.
De 2006 a 2007 fue Practicante Profesional en el área de Carrocerías en General Motors de México.
De 2008 a la fecha se desempeña como Jefe de Aseguramiento de Calidad Eléctrica en Andritz Hydro
Morelia, México.
Ing. Dante Franco (DF). Director de operaciones,
Compañía Manufacturera de Artefactos Eléctricos – Grupo IG (Empresa mexicana fundada en 1940,
pionera en el diseño, fabricación y comercialización de transformadores en México y Latinoamérica. Una
de las empresas líderes del sector eléctrico en el mundo).
Ingeniero Electromecánico, ITESM.
Gerente General por más de cinco años en Hidroservicios, S.A. de C.V.
A partir de 1997 ha colaborado en el Grupo IG en los siguientes encargos:
Asistente de Gerente de planta (de imanes) por dos años y medio.
Gerente de planta (de imanes) por casi seis años
Gerente de manufactura por más de diez años, a cargo de manufactura de tres plantas dedicadas a
componentes de transformadores eléctricos.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
26
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
Desde mayo de 2010 funge como Director de Operaciones del Grupo (manufactura de transformadores
eléctricos), encargado de tres plantas de manufactura, además de: ingeniería, cadena de suministro y
mantenimiento.
5.5.1 Beneficios
DAS: Son conceptos muy interesantes. En cuanto a la aplicación de estaciones de carga para vehículos
eléctricos, podemos apreciar que es necesario desarrollarla más y mejor en México.
CARD: Es un proyecto innovador y la tendencia va ir a la alza para que los institutos o las compañías
desarrolladoras inviertan en este tipo de proyectos.
Aparte de reducir pérdidas e incrementar eficiencias, traerá beneficios para los consumidores, pero sobre todo
para las compañías eléctricas.
DF: Como ventajas de las TIES, en particular de los transformadores, observo la gran capacidad que tienen de
regular los voltajes de salida y la calidad de la energía que se maneja en estas redes.
5.5.2 Oportunidades
DAS: Es pertinente considerar, como lo están haciendo, a todo el ecosistema social, ambiental, gubernamental,
de mercado y tecnológico. Es necesario hacer vinculaciones con actores relevantes del sector, por ejemplo,
articular redes de innovadores en energías, eco-innovaciones, redes eléctricas inteligentes (Cámara de
Innovadores en Electricidad, por ejemplo).
CARD: Esto va a dar partida a que haya más empresas nacionales e internacionales en el tema, por ello tiene
que haber apertura por parte de los entes gubernamentales, para poder mejorar las condiciones de suministro
de energía de la nación.
DF: Existen algunos nichos de mercado que podrían ser una opción viable. Entre ellos están los centros de
cómputo, las empresas que requieran gran cantidad de energía para sus operaciones y que invierten en filtros y
otros mecanismos para disminuir los problemas del suministro de energía; y los sistemas que necesitan
desarrollos de bajo peso y volumen como aviones, coches y trenes.
5.5.3 Retos
DAS: Llevar plantas de energía a zonas aisladas donde no hay acceso a electricidad, podría ser el enfoque de
algunos innovadores dentro de LiCore.
Los principales obstáculos son: el marco normativo (falta de legislación apropiada) y la incapacidad del
gobierno federal para facilitar los negocios y la adopción de innovaciones tecnológicas. El sector eléctrico
todavía tiende a favorecer al monopolio estatal.
CARD: Capacidad sí la hay, lo que ha faltado es que México invierta en investigación y aporte recursos para el
desarrollo, es por eso que tenemos fuga de cerebros.
Lograr la rentabilidad de un desarrollo tecnológico requiere utilizar el ingenio para hacer más con menos, si se
tienen conocimientos sobre el tema, se pueden lograr cosas más inteligentes.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
27
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
En el aspecto comercial, esta transición es algo muy parecido a lo que pasa con el petróleo, por qué no han
salido los autos eléctricos como tal, porque qué va a pasar con el negocio petrolero.
El obstáculo es más de política y de leyes, que muchas veces es lo que merma el desarrollo.
DF: En México, el esquema de los sistemas eléctricos, al estar centralizado, evita en gran medida el desarrollo
de sistemas inteligentes.
5.5.4 Riesgos
DAS: Aun cuando hayan desarrollado el mejor avance tecnológico, no se desarrollen aplicaciones prácticas para
que los consumidores puedan aprovecharlo.
DF: Una de las ventajas de la CFE es su alta capacidad técnica, mas no invierte en desarrollo tecnológico, por lo
que se hace necesario el tener socios capitalistas que podrían impulsar nuevas tecnologías. El intento por
implementación de sistemas relacionados con Redes Inteligentes no tuvo éxito en México, debido a que el
monitoreo de los sistemas era ineficiente y se convirtió en un problema de seguridad nacional.
5.5.5 Recomendaciones
DAS: Sería recomendable no sólo lanzar el TIES en sí como producto, sino toda una gama de aplicaciones a
partir del mismo.
CARD: Revisar el tema de patentes, ver lo que se está generando en otros países, ver en organizaciones como
la IEEE o la ISE las referencias de otros lugares.
6 MERCADO POTENCIAL
La tecnología del TIES tiene amplias expectativas económicas por estar enfocada a incursionar en crecientes
mercados a nivel global, tales como: Tracción Locomotriz, Estaciones de Carga para Coches Eléctricos y
SmartGrids. De acuerdo con MarketsandMarkets se espera que la tecnología del TIES alcance un volumen de
ventas por $5,043.39 millones de dólares (MDD) con un CAGR del 82.3% del 2012 al 2020 en todos sus nichos
de aplicación.
Por su parte, el mercado objetivo del transformador de distribución eléctrica en México ha mantenido ventas
por encima de los $15 MDD mensuales desde el año 2007 a la fecha. A partir de esta información, se estima un
tamaño del mercado del TIES de $40 MDD, en el cual se podría tener una buena participación al ser pioneros
en la comercialización en México, con ventas de hasta 13 MDD anuales con una inversión inicial aproximada
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
28
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
de $2 MDD. Con estos datos se estima un VPN de $209.5 MDP con un ROI de 14.69% y un tiempo de retorno
menor a dos años.
El Mercado Potencial del TIES está segmentado en tres categorías generales, de acuerdo al Estudio de mercado
contratado a MarketsandMarkets [5].
Figura 11. Segmentos del mercado de la tecnología del TIES.
El primer segmento contempla los componentes que se muestran en la Figura 12 [5].
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
29
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
Figura 12 Segmento de componentes de la tecnología TIES.
El análisis global de este segmento de mercado presenta buenas perspectivas económicas para aplicaciones en
SmartGrids, dado que se estima un crecimiento de $41.0 MDD en 2012 y se espera alcanzar $4737.7 MDD
para 2020, como se muestra en la Tabla 2.
Tabla 2 Mercado del TIES por componentes aplicado a SmartGrids ($MDD).
El mercado del TIES se encuentra en sus primeras etapas de desarrollo. Sin embargo, se pronostica un
crecimiento importante en la demanda durante los próximos años. En la Tabla 3 se muestra un interesante
análisis con enfoque geográfico de las SmartGrids.
Tabla 3 Mercado del TIES por zona geográfica aplicado a SmartGrids (Millones de Unidades).
El prototipo del TIES propuesto en este proyecto estará dirigido a la CATEGORÍA DE APLICACIONES CON
POTENCIAL COMERCIAL EN AMÉRICA. Asimismo se pretende impactar el MERCADO DE COMPONENTES: TAF,
CONVERTIDORES Y PCC (OTROS).
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
30
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
De acuerdo con el reporte de MarketsandMarkets, las principales empresas que están desarrollando
investigación sobre la tecnología del TIES incluyen a: ABB (Suiza), Siemens AG (Alemania), Schneider Electric SA
(Francia), Alstom (Francia), Avago Technologies Limited (EE.UU.), Bombardier Inc (Canadá), Cooper Power
Systems (EE.UU.), Mitsubishi Electric Corporation (EE.UU.), CREE Inc (EE.UU.), Infineon Technologies (Alemania),
STMicroelectronics (EE.UU.), SPX Transformers (EE.UU.), General Electric (EE.UU.), Duke Energy (EE.UU.),
Plasmatechnics Inc. (EE.UU.), Selco (EE.UU.), Varentec (EE.UU.), y Gridco Systems (EE.UU.). Se incluyen
empresas que cubren desde partes y suministros para equipos, hasta empresas integradoras de la tecnología
relacionada.
Como se observa, no existen empresas latinoamericanas que esté invirtiendo en el desarrollo de esta
tecnología, con lo cual se espera que México sea el primer país de la región en desarrollarla y comercializarla.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
31
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
7 INNOVACIÓN
Existen siete tipos de innovación [48]. La tecnología del TIES cubre todos los tipos, como se muestra en la Tabla
4.
INNOVACIÓN
1
Nuevos productos
2
Nuevos servicos
3
Nuevos Procesos
4
Nuevas estrategías
5
NUEVOS
MERCADOS
6
Nuevos canales de
comunicación
Tabla 4 Elementos de Innovación de la tecnología del TIES.
Descripción
La tecnología del TIES es un producto nuevo en el sector de distribución y consumo de energía
eléctrica.
El TIES permitirán ofrecer nuevos servicios a los consumidores:
- Servicio automatizado para incrementar su eficiencia en el consumo:
o Minería de datos de consumo horario.
o Infraestructura digital de medición de consumo.
o Simulador de opciones tarifarias.
o Sistema de gestión de energía en casas, edificios, comercios e industria.
Con la tecnología del TIES, se podrán implementar nuevos procesos, tales como:
- Reducción de riesgos de operación:
o Mejor consciencia situacional de operadores del sistema.
o Alertas tempranas y sistemas de control de área amplia.
- Gestión de la distribución:
o Centros de operación de la distribución.
o Reducción de pérdidas.
o Medición y control de calidad de la energía.
- Reducción de pérdidas de distribución:
o Balanceo dinámico de cargas a partir de la transferencia automática de carga
entre alimentadores, transformadores y subestaciones.
o Control automático de voltaje en media tensión.
o Medición inteligente con concentrador.
o Detección de ilícitos.
Gracias a la tecnología del TIES se podrán plantear nuevas estrategias para Gestión de Activos y
Fuerza de Trabajo Móvil, tal como:
- Optimización en mantenimiento:
o Mantenimiento basado en condición y desempeño.
o Monitoreo y diagnóstico de equipos críticos.
o Inteligencia Artificial aplicada a modelos de vida remanente, predicción y
reconfiguración de fallas y priorización del mantenimiento.
- Incrementar la eficacia de la fuerza de trabajo móvil:
o Geo-referencia de activos y fuerza de trabajo móvil.
El TIES es una tecnología flexible para integrar energía limpia y renovable en micro-redes, tal como:
- Paneles solares y sistemas fotovoltaicos.
- Micro-turbinas eólicas.
- Mareomotriz.
- Sistemas de almacenamiento de energía.
El TIES integra tecnología de comunicaciones, que puede ser utilizada para conexión a Internet o
directamente a usuarios/operadores mediante WiFi y Power Line Communications (PLC).
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
32
Five-O
7
Nuevas alianzas
estratégicas
Transformador Inteligente de Estado Sólido
El desarrollo de esta tecnología permitirá crear alianzas con empresas nacionales e internacionales
del mercado de distribución eléctrica, a fin de que puedan competir contra las empresas que
actualmente están desarrollando la tecnología.
La tecnología del TIES presenta un alto grado de INNOVACIÓN en materia de productos, procesos y
servicios.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
33
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
8 CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO
El desarrollo e implementación de una SmartGrids en el país podría contribuir a la democratización de la
energía. De esa manera, un mayor número de personas podría participar en la llamada resiliencia al cambio
climático.
Sin embargo, la legislación del Estado mexicano presenta algunas áreas de oportunidad en las cuales es
necesario trabajar. Los sistemas de financiamiento para este tipo de desarrollos tecnológicos deben
replantearse, así como incrementar los incentivos fiscales para desarrolladores e investigadores.
Otra problemática que enfrenta el país, es la baja cultura que existe por parte de los inversionistas y del sector
industrial para destinar recursos en el desarrollo e investigación. Actualmente, es preferible importar
tecnología de otros países, que invertir en tecnología nacional.
Ante ese panorama, resulta imperante desarrollar una red de articulación con otras organizaciones de la
sociedad civil y actores interesados para incidir en las políticas públicas del país. Destinar tiempo, recursos
humanos y materiales para elaborar propuestas que puedan ser integradas en la actual legislación, que
permitan la pluralidad en el mercado y dé como resultado mayor eficiencia en los recursos energéticos, así
como un incremento de producción de energías renovables.
En suma, como lo demostró el estado de la técnica y el análisis de impactos ambiental, social, gubernamental,
tecnológico y de mercado, es factible invertir en el Transformador Inteligente de Estado Sólido, dado que
presenta un alto grado de innovación en materia de productos, procesos y servicios.
En este sentido, México tiene el potencial de convertirse en el primer país de Latinoamérica en desarrollar y
comercializar esta innovadora tecnología, a fin de acondicionarla a las necesidades de la red eléctrica nacional
y contribuir a su transformación en una SmartGrid.
Como trabajo futuro, se identifican como oportunidades de la tecnología TIES: la integración de paneles
fotovoltaicos, aerogeneradores y almacenadores; la carga de coches eléctricos; el escalamiento en potencias; y
el desarrollo de sistema de comunicaciones y seguridad informática que servirá para conformar la SmartGrid.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
34
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
9 REFERENCIAS
[1] Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC).
[2] Sarmiento et. al, Las micro redes en el ámbito de la Red Eléctrica Inteligente,” Instituto de Investigaciones Eléctricas.
[3] “Update of Mexico´s Emissions Baselines and Mitigation Portfolio 2009-2030,” Mexico Low Emissions Development
Program (MLED), Contract: AID-523-C-11-00001, May 2013. Reporte preparado por TETRA TECH INC. para la United
States Agency for International Development (USAID).
[4] Johann W. Kolar, “Intelligent Solid State Transformers (SSTs): A key Building Block of Future Smart Grid Systems,” Swiss
Federal Institute of Technology (ETH) in Zurich, Power Electronic Systems Laboratory, [en línea]. Disponible:
www.pes.ee.ethz.ch
[5] MarketsandMarkets, “Solid State (Smart) Transformer Market Global Forecast & Analysis (2012 2020) By Application
(Smart Grid, Traction Locomotives, Electric Vehicle Charging Stations, Others), Component (Switches, High
frequency Transformers, Converters, Others) & Geography,” March 2013.
[6] Instituto Nacional de Estadísticas y Geografía (INEGI), “EnVolumen y valor de ventas por clase de actividad y producto,”
Encuesta mensual de la industria manufacturera (EMIM), Clase 335312 [en línea]. Disponible: www.inegi.org.mx
[7] Prospectiva del Sector Eléctrico 2013-2027 de la Secretaría de Energía (SENER). Gobierno Federal [en línea]. Disponible
www.energia.gob.mx
[8] Programa Especial de Cambio Climático 2014-2018 (PECC). Plan Nacional de Desarrollo 2013-2018 Gobierno de la
República [en línea]. Disponible: www.dof.gob.mx
[9] Estrategia Nacional de Cambio Climático (ENCC) Visión 10-20-40. Gobierno de la República, 2013 [en línea]. Disponible:
www.inmujeres.gob.mx
[10] Adrian Inda Ruiz, “Impact of Reforms on the Smart Grid Model of Mexico,” IEEE: The expertise to make smart grid a
reality, [en línea]. Disponible: www.smartgrid.ieee.org
[11] R. Nieva-Gómez, “Red Eléctrica Inteligente: Oportunidades para la Innovación,” Mesa Redonda: “La Investigación en
Energía para el futuro de México: Aspectos relacionados con Energía Eléctrica,” Instituto de Investigaciones
Eléctricas, Abril 2013.
[12] Future Renewable Electric Energy Delivery and Managment (FREEDM) System Center, [en línea]. Disponible:
www.freedm.ncsu.edu
[13] Huang et al., “The Future Renewable Electric Energy Delivery and Managment (FREEDM) System: The Energy
Internet”, Proceedings of the IEEE, Vo. 99, No. 1, Jan 2011.
[14] Jorge Carrasco, “Roban Transformadores, Contaminan Tierra y Agua”, NTR periodismo crítico, Julio 2013, [en línea].
Disponible: www.ntrzacatecas.com
[15] “Ladrones roban cobre y contaminan agua en el DF,” [en línea]. Disponible: www.equilibrio.mx
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
35
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
[16] MIT´s Technology Review, 2011 List of the World´s 10 Most Important Emerging Technologies.
[17] S. Goel, S. Bush and D. Bakken, “IEEE Vision for Smart Grid Communications: 2030 and Beyond,” Smart Grid Research.
IEEE Communications Society, May 2013.
[18] Posada Contreras, J.; Ramirez, J.M. "Multi-Fed Power Electronic Transformer for Use in Modern Distribution
Systems", Smart Grid, IEEE Transactions on, On page(s): 1532 - 1541 Volume: 5, Issue: 3, May 2014.
[19] Nila O. et al, "Smart-Solid-State-Transformer: Ecoinnovation for Future Smart Grid Implementation in
Mexico", International Conference Natural Resources and Sustainable Development Goals for Latin America.
Universidad Autónoma de San Luis Potosí, San Luis Potosí, México, September 2014.
[20] Nila O. et al, "Transformador Inteligente de Estado Sólido: Tecnología Ecoinnovadora para Redes Eléctricas
Inteligentes", XI Congreso Iberoamericano en Querétaro, Mexico, September 2014.
[21] Falcones S., Mao X., Ayyanar R., “Topology comparison for Solid State Transformer implementation,” Power and
Energy Society General Meeting, July 2010 IEEE, pp. 1 – 8.
[22] H. M. Mordenberg, “A Review of the Influence of Recent Material and Technique Development on Transformer
Design,” IRE Transaction on Component Parts, Vol. 6, Issue 3, pp 201-209, Sept. 1959.
[23] W. McMurray, "Power converter circuits having a high-frequency link," U.S. Patent 3 517 300, June 23, 1970.
[24] W. McMurray, “The Thyristor Electronic Transformer: a Power Converter Using a High Frequency Link,” IEEE
Transaction on Industrial and General Applications, Vol. IGA-7, Issue 4, pp. 451-457, July 1971.
[25] J.L. Brooks, “Solid State Transformer Concept Development,” Naval Material Command, Civil Engineering Laboratory,
Naval Construction Battalion Ctr., Port Hueneme, CA, 1980. Final Report, 1978-1979 Naval Construction Battalion
Center, Port Hueneme, CA.
[26] EPRI Intelligrid [en línea]. Disponible: http://intelligrid.epri.com
[27] K. Harada, F. Anan, K. Yamasaki, M. Jinno, Y. Kawata, T. Nakashima, K. Murata, H. Sakamoto, “Intelligent transformer,“
in: Proceedings of the 1996 IEEE PESC Conference, 1996, pp. 1337–1341.
[28] M.Kang., “Analysis and Design of Electronic Transformers for Electric Power Distribution System,” Industry
Applications Conference, 1997. Thirty-Second IAS Annual Meeting, IAS '97., Conference Record of the 1997 IEEE,
Vol. 2, pp. 1689-1694, Oct 1997.
[29] M.Kang., “Auto-Connected Electronic Transformer (ACET) Based Multi-Pulse Rectifiers for Utility Interface of Power
Electronic Systems” Industry Applications Conference, 1998. Thirty-Third IAS Annual Meeting. The 1998 IEEE, Vol. 2,
pp. 1554-1561, Oct 1998.
[30] M.Kang., “Analysis and Design of Electronic Transformers for Electric Power Distribution System” Power Electronics,
IEEE Transactions on Industrial and General Applications, Vol. 14, Issue 6, pp. 1133-1141, Nov 1999.
[31] M.Kang., “Open-Delta Auto-Connected Electronic Transformer (OD-ACET) Based Multi-pulse Rectifier Systems”. APEC
1999. Vol.1, pp. 234-240, Mar 1999.
[32] M.Kang., “A Simplified Auto-Connected Electronic Transformer (SACET) Approach Upgrades Standard 6-Pulse Rectifier
Equipment With 12-Pulse Characteristics to Facilitate Harmonic Compliance,” Applied Power Electronics
Conference and Exposition, 1999. APEC '99. Fourteenth Annual, Vol. 1, pp. 234-240. Marc 1999.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
36
Five-O
Transformador Inteligente de Estado Sólido
[33] S.D. Sudhoff., “Solid State Transformer,” US005,943,229 A. 1999.
[34] R. Ronan, “Application of power electronics to the distribution transformer,” APEC 2000. Vol.2, pp. 861-867, Feb
2000.
[35] R. Ronan, “A Power Electronic-Based Distribution Transformer,” Power Delivery, IEEE Transactions on, Vol. 17, Issue.
2, pp. 537- 543, Apr 2002.
[36] Solid State Universal Intelligent Transformer [en línea]. Disponible: www.universaltransformer.com
[37] EPRI Report, “Proof of the principle of the solid-state transformer: the AC/AC switch mode regulator,” EPRI TR105067, Research Project 8001- 13, Final Report, August 1995.
[38] “Feasibility Assessment for Intelligent Universal Transformer,” EPRI, Palo Alto, CA: 2002. 1001698.
[39] “Development of a New Multilevel Converter-Based Intelligent Universal Transformer: Design Analysis,” EPRI, Palo
Alto, CA: 2004. TR1002159.
[40] “Bench Model Development of a Multilevel Converter based IUT,” EPRI, Palo Alto, CA: 2005. TR1010549.
[41] J. Wang et al, “Characterization, Modeling, and Application of 10-kV SiC MOSFET,” IEEE Transactions on Electron
Devices, vol. 55, no. 8, August 2008, pp. 1798-1706.
[42] K. Hatua, S. Dutta, A. Tripathi, S. Baek, G. Karimo, S. Bhattacharya, “Transformer less Intelligent Power Substation
Design with 15kV SiC IGBT for Grid Interconnection,” ECCE, Sep. 2011 IEEE, pp. 4225 – 4232.
[43] L. Yang, T. Zhao, J. Wang, A. Q. Huang, “Design and Analysis of a 270kW Five-level DC/DC Converter for Solid State
Transformer Using 10kV SiC Power Devices,” PESC June 2007. IEEE, pp. 245 – 251.
[44] T. Zhao et al., “270 kVA Solid State Transformer Based on 10 kV SiC Power Devices,” ESTS May. 2007. IEEE, pp. 145 –
149.
[45] G.Wang, X. Huang, J. Wang, T. Zhao, S. Bhattacharya, A. Q. Huang, “Comparisons of 6.5kV 25A Si IGBT and 10-kV SiC
MOSFET in Solid-State Transformer Application,” ECCE, Sep. 2010 IEEE, pp. 100 – 104.
[46] G. Wang et al., “Comparisons of Different Control Strategies for 20kVA Solid State Transformer,” ECCE, Sep. 2011
IEEE.
[47] Instituto Mexicano de la Propiedad Intelectual. Disponible: www.impi.gob.mx
[48] Mario Morales, “El Manual del Innovador: Como Pensar Diferente y Crear Proyectos Innovadores,” [en línea].
Disponible.
Laboratorio de Investigación en Control Reconfigurable A.C.
37