Blog

Aug 12, 2023

Cómo un dispositivo podría ayudar a transformar nuestra red eléctrica

A medida que se pone en funcionamiento más energía renovable y se retiran las plantas de combustibles fósiles, las redes eléctricas de todo el mundo necesitan actualizaciones para mantenerlas funcionando de manera estable. JUAN MIGUEL CERVERA MERLO/ALAMY FOTO DE STOCK

A medida que se pone en funcionamiento más energía renovable y se retiran las plantas de combustibles fósiles, las redes eléctricas de todo el mundo necesitan actualizaciones para mantenerlas funcionando de manera estable.

JUAN MIGUEL CERVERA MERLO/ALAMY STOCK PHOTO

Por chistes de Alexandra

24 de agosto de 2023 a las 9:11 am

Desde Colorado hasta Washington, desde Ohio hasta Pensilvania, las centrales eléctricas alimentadas con carbón están cerrando. Estados Unidos está en camino de retirar la mitad de su capacidad para generar electricidad a partir de carbón para 2026. Se trata de una disminución notablemente rápida desde el pico del carbón en 2011, y un paso importante en el cambio hacia la energía limpia y la lucha contra el cambio climático.

Pero hay una sorprendente desventaja al retirar centrales eléctricas grandes y antiguas. Estas plantas ayudan a mantener la estabilidad de la red eléctrica. A medida que más de ellos se desconectan, algo más debe intervenir para hacer ese trabajo.

Una red eléctrica es una red compleja que involucra sistemas que producen energía, como una planta de energía nuclear o una turbina eólica, y sistemas que almacenan y transmiten energía, como baterías y líneas de transmisión. Una red puede dejar de funcionar por diversas razones, como la caída de un árbol sobre una línea eléctrica o una ola de calor que supera la capacidad del sistema. En Estados Unidos, la electricidad pulsa a través de la red como un latido del corazón a una frecuencia estándar de 60 hercios. Esa frecuencia puede cambiar si la demanda aumenta más allá de la oferta o si algo en el sistema, como un generador grande, se desconecta. Incluso una pequeña interrupción en ese latido de 60 hercios puede provocar efectos dominó de los que la red lucha por recuperarse.

Las grandes centrales eléctricas están diseñadas para ayudar a que la red sea resiliente a estos efectos dominó. La inercia de sus generadores giratorios gana tiempo en caso de un corte de energía inesperado, y ajustan continuamente su producción de energía en función de la frecuencia de la red, manteniendo todo estable. Pero una red eléctrica que incorpora grandes cantidades de energía renovable, como la proveniente de turbinas eólicas y paneles solares, funciona de manera muy diferente. Se basa en dispositivos conocidos como inversores para convertir la electricidad de corriente continua, o CC, producida por las instalaciones eólicas y solares en electricidad de corriente alterna, o CA, para la red. Y los sistemas de energía renovable que utilizan inversores no se comportan como las centrales eléctricas tradicionales. "Estamos ante un sistema físico completamente diferente", dice Patricia Hidalgo-González, ingeniera eléctrica de la Universidad de California en San Diego.

Actualmente, más electricidad estadounidense proviene de fuentes renovables. Los inversores formadores de red probablemente desempeñarán un papel importante a la hora de llevar la energía de forma segura a la red eléctrica.

Por eso, los investigadores han estado buscando formas de mantener estable la red a medida que las grandes centrales eléctricas se retiran y la energía renovable constituye un porcentaje mayor de la generación de electricidad en Estados Unidos. La respuesta puede estar en un tipo especial de inversor, conocido como inversor formador de red. Estos equipos eléctricos, que varían en tamaño desde más pequeños que un microondas hasta tan grandes como un contenedor de envío, están especialmente programados para funcionar en la interfaz entre algo que produce o almacena energía (como turbinas eólicas, paneles solares y baterías) y el red. Fundamentalmente, son capaces de controlar el flujo de energía renovable hacia la red de manera rápida y responsiva, de maneras que imitan el control de las grandes centrales eléctricas.

Al agregar algunos inversores formadores de red a una red eléctrica existente, los ingenieros pueden ayudar a reemplazar las funciones que se pierden cuando las grandes plantas se retiran. Los inversores formadores de red también tienen otras ventajas, como reiniciar automáticamente una red que se ha desconectado. Eso puede hacer que la sociedad sea más resiliente a los cortes de energía que vienen con condiciones climáticas extremas alimentadas por el cambio climático, como olas de calor y huracanes (SN: 15/02/20, p. 22).

La cantidad de electricidad estadounidense generada por energía solar y eólica ha aumentado dramáticamente durante la última década.

Piense en un inversor que forma una red como una mamá pato seguida de un grupo de patitos, dice Dominic Gross, ingeniero eléctrico de la Universidad de Wisconsin-Madison. Un inversor formador de red puede inyectar voltaje en una red y luego ajustar su frecuencia de acuerdo con la cantidad de energía que fluye a través del sistema. Otras fuentes de electricidad que fluyen hacia la red, los patitos, pueden entonces sincronizarse con ese inversor que forma la red, tal como lo hicieron con el flujo de electricidad que pulsaba desde las centrales eléctricas.

Esto otorga a los inversores formadores de red un papel clave a la hora de incorporar más energía renovable a la red eléctrica. Fabricantes como General Electric, Siemens, Tesla e Hitachi ya fabrican estos dispositivos, y se han utilizado durante décadas en redes eléctricas aisladas, como en islas pequeñas. Hoy en día, su uso se está expandiendo rápidamente en todo el mundo a medida que las grandes compañías eléctricas recurren a estos dispositivos para hacer frente al auge de la energía renovable.

Agregar capacidades de formación de redes a los sistemas de energía renovable es un primer paso sencillo que puede marcar una diferencia dramática en la construcción de una red sólida para el futuro, dice Julia Matevosyan, ingeniera jefe del Energy Systems Integration Group en Austin, Texas. “Ahora realmente tenemos esta ventana de oportunidad”, afirma.

Las centrales eléctricas alimentadas con carbón y gas natural son la columna vertebral de la red eléctrica estadounidense actual. Los parques eólicos y solares desempeñan un papel menor y utilizan inversores que siguen la red (naranja) para introducir más electricidad intermitente en el sistema. Pero los inversores formadores de red (azul) podrían ayudar a dar paso a una futura red que dependa principalmente de energía renovable. En la red del futuro, cada hogar podría tener paneles solares y los vehículos eléctricos tendrían carga bidireccional, lo que les permitiría devolver energía a la red.

Si tienes paneles solares en tu casa, probablemente tengas un inversor en tu garaje. Las empresas de energía utilizan inversores similares en parques de energía eólica y solar para convertir grandes cantidades de electricidad de CC en electricidad de CA para alimentar a la red. Pero la mayoría de ellos son los llamados inversores que siguen la red. Son como los patitos que siguen a su madre: pueden hacer algunas cosas por sí solos, pero no son capaces de ejecutar el sistema como lo hace un pato adulto.

Sin embargo, un inversor formador de red puede detectar los cambios en la red y responder en tiempo real para ajustar su frecuencia, lo que inyecta más o menos energía según sea necesario para estabilizar la red. Florian Dörfler, ingeniero eléctrico de la ETH Zurich, compara un grupo de inversores que forman una red en una red eléctrica con un montón de ruedas de bicicleta conectadas por una banda elástica que giran. Si una de las ruedas comienza a desacelerar un poco por alguna razón, la banda elástica transferirá el impulso de las demás y la devolverá a la sincronía con el grupo.

Los inversores que forman red no son del todo nuevos; se han utilizado en todo el mundo durante décadas para determinados fines. En Estados Unidos, se encuentran principalmente en microrredes, pequeños sistemas de energía eléctrica que abastecen áreas aisladas como islas o pequeñas instalaciones.

En la década de 2010, por ejemplo, un grupo de investigadores y profesionales de la industria construyó una microrred que incorporaba inversores formadores de red en la cárcel de Santa Rita en Dublín, California. La microrred utilizaba paneles solares en los tejados, cinco turbinas eólicas, una pila de combustible y una batería de almacenamiento. crear un sistema de energía autónomo que funcionara para el uso diario pero que también pudiera seguir funcionando independientemente de la red eléctrica principal en caso de un corte, algo crucial para mantener la seguridad. Otras microrredes que utilizan inversores formadores de red incluyen una base militar en la isla hawaiana de Kauai y la isla caribeña de San Eustaquio.

El desafío ahora es pasar de esos sistemas pequeños y autosostenibles a redes eléctricas más grandes que incorporen mucha energía renovable. Varias naciones han comenzado este esfuerzo, agregando inversores formadores de red a sus sistemas.

Australia es quizás el líder mundial, con tres grandes instalaciones de energía renovable que incorporan inversores formadores de red que recientemente comenzaron a funcionar y tres instalaciones más en proceso, para un total de 480 megavatios de potencia. Un par de ellos se encuentran en el sur de Australia, donde la energía eólica ha experimentado un auge en los últimos años. En diciembre, la Agencia Australiana de Energía Renovable anunció que estaba invirtiendo 176 millones de dólares australianos (alrededor de 118 millones de dólares) en ocho proyectos más para producir energía renovable utilizando tecnologías de formación de redes. En conjunto, esos ocho proyectos están diseñados para generar 2 gigavatios de energía: 10 veces la capacidad de formación de red del país hasta la fecha y un paso "innovador" en la dirección correcta, dice Matevosyan.

El Reino Unido también está invirtiendo en cinco nuevos proyectos, incluida una instalación de 300 megavatios en Escocia que se completará en 2024. Por el contrario, Estados Unidos ha hecho poco a nivel nacional para fomentar la adopción de inversores formadores de red, incluso ya que la producción de energía renovable aproximadamente se ha duplicado en la última década y ahora representa más del 20 por ciento de la generación de electricidad del país. “Estados Unidos probablemente lleva un retraso de 10 años”, afirma Dörfler.

Eso puede estar cambiando. El Departamento de Energía de EE.UU. está financiando una iniciativa de 25 millones de dólares para trabajar en cómo introducir más inversores formadores de red en el sistema eléctrico de EE.UU. El consorcio, conocido como UNIFI, para la “interoperabilidad universal de inversores formadores de red”, se encuentra en el segundo de cinco años de investigación. Está dirigido por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, junto con la Universidad de Texas en Austin y el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica en Palo Alto, California.

Las redes eléctricas están mostrando su edad y son especialmente vulnerables a los efectos en cascada que pueden surgir con el clima extremo. He aquí un vistazo a algunos acontecimientos recientes que llevaron a las redes al límite.

febrero 2021Una helada profunda en gran parte de Texas (que se muestra arriba) paralizó los equipos eléctricos y desconectó gran parte de la red del estado, lo que provocó cientos de muertes.

septiembre 2021El huracán Ida dejó sin electricidad a más de 1 millón de personas en Luisiana, en parte debido a que las líneas de transmisión no pudieron soportar la velocidad del viento del huracán.

mayo 2022Una intensa tormenta de viento en Ontario y Quebec, Canadá, derribó líneas eléctricas y finalmente dejó a casi un millón de personas sin electricidad.

junio 2022Una falla en una planta de energía del oeste de Texas provocó más fallas en la red de Texas, incluida la interrupción de 1,7 gigavatios de generación de energía solar.

enero 202Un aumento de voltaje de 3A apagó la red nacional de Pakistán, dejando a más de 200 millones de personas sin electricidad.

junio 2023Un domo de calor sobre el norte de México y Texas casi hizo que la demanda de energía de México excediera su oferta.

Hasta ahora, UNIFI se ha centrado en cuestiones básicas como la elaboración de directrices sugeridas sobre cómo las empresas deberían construir inversores formadores de red. Hasta ahora, los fabricantes de todo el mundo han estado fabricando sus propios tipos de inversores formadores de red con poca o ninguna coordinación entre ellos. En diciembre, UNIFI publicó proyectos de normas destinados a servir como un primer paso hacia un código de red nacional que incluya especificaciones técnicas para equipos; Se espera una segunda versión actualizada para finales de año.

UNIFI recientemente trajo al laboratorio de NREL en Colorado un puñado de inversores formadores de red, adquiridos de diferentes fabricantes. Allí, los investigadores los están probando en un sistema de energía de 1 megavatio para ver cómo les va trabajando en la misma red. Un esfuerzo similar de la UNIFI está probando el rendimiento de un mayor número de inversores formadores de red fabricados por dos fabricantes diferentes en un sistema de 20 megavatios en Kauai.

El objetivo es ver si los inversores de diferentes fabricantes se pueden integrar sin problemas en una gran red eléctrica y cuánto trabajo de programación se necesitará para lograr que funcionen bien entre sí. "¿Cómo se puede hacer que millones de estas cosas funcionen juntas, de forma colaborativa, en un contexto de sistemas de red a gran escala?" pregunta Gross, que trabaja con UNIFI. Estas pruebas son sólo los primeros pasos para que Estados Unidos se ponga al día con otros países que ya tienen inversores formadores de red funcionando en sus grandes redes eléctricas.

UNIFI espera elevar el perfil de los inversores que forman redes y brindar orientación a lo que actualmente es un panorama del Salvaje Oeste con diferentes empresas que los fabrican. Pero tendrá que actuar con rapidez para marcar la diferencia. "Estamos hablando literalmente de transformar todo el sector eléctrico en unos 15 años", dice Ben Kroposki, director del centro de ingeniería de sistemas energéticos del NREL y director organizativo de UNIFI. “Se necesitaron 140 o 150 años para construir lo que tenemos hoy. Y eso es simplemente un cambio monumental en el sector de la energía eléctrica”.

Los inversores en un sistema típico de paneles solares domésticos pueden costar varios miles de dólares, y el costo es mayor para los sistemas a escala industrial. Pero el equipo que forma la red no es necesariamente más caro de producir que el equipo que sigue la red. Los fabricantes cobran un poco más para cubrir sus costos de investigación y desarrollo, pero la diferencia es mínima en cuanto al beneficio obtenido, dice Matevosyan. Incluso cuando algunas naciones están incentivando a las compañías energéticas a implementar tecnologías de formación de redes, ella dice que cualquiera que construya componentes de redes hoy en día debería incorporarlas como algo natural. "Simplemente tiene sentido que formen una cuadrícula", dice. "Puedes prepararlo para el futuro".

Incluso cuando se adoptan los inversores formadores de red, aún quedan preguntas de investigación por responder. Un desafío es que aún no está claro cuántos inversores necesitarán formar redes en las redes del futuro. Los cálculos teóricos sugieren que algunas redes funcionarán bien obteniendo entre el 60 y el 70 por ciento de su energía de fuentes renovables utilizando inversores que siguen la red. Pero otros podrían colapsar con sólo el 20 por ciento y necesitarán tener más inversores formadores de red en la mezcla, dice Gross.

El número de cualquier cuadrícula dependerá de factores como la antigüedad, la estabilidad y la geometría de la cuadrícula. Una red densamente interconectada de instalaciones de producción de energía, como la de Europa, podría necesitar un porcentaje mucho menor de inversores que formen red que una red larga y extendida como la que se encuentra a lo largo de la costa australiana.

La red eléctrica de EE. UU. consta en realidad de tres redes separadas, en las partes este y oeste del país y en Texas, todas con diferentes necesidades de inversores. Y algunos operadores de energía podrían optar por desconectar sus plantas alimentadas con carbón o gas, pero conservar algunas grandes instalaciones nucleares o hidroeléctricas, que continuarían apoyando la sincronía de la red y demandarían menos inversores formadores de red.

Otras fronteras de la investigación incluyen descubrir nuevas formas de diagnosticar y solucionar problemas en la red. Un cortocircuito en un componente de la red, por ejemplo, puede inyectar repentinamente grandes cantidades de corriente, una sobretensión que las centrales eléctricas tradicionales pueden manejar automáticamente desconectando la parte que funciona mal. Los inversores que forman red no pueden tolerar grandes picos de corriente, lo que dificulta la solución de estos problemas en tiempo real. “Cómo hacerlo de manera eficiente y segura sigue siendo una gran pregunta de investigación”, dice Rodrigo Henríquez-Auba, ingeniero eléctrico de Mountain View, California, que trabaja con UNIFI.

Algunos científicos, entre ellos Dörfler, están explorando cómo una red eléctrica con muchos inversores formadores de red podría proporcionar energía de nuevas maneras. Al tomar medidas adicionales para optimizar el funcionamiento conjunto de los inversores, los investigadores pueden acercar el sistema a lo que algunos describen como una planta de energía virtual, en la que muchos dispositivos de energía renovable a pequeña escala funcionan efectivamente como una única planta de energía tradicional. Eso podría significar programar inversores para extraer rápidamente energía de una batería e inyectarla para hacer que la red sea más robusta ante fluctuaciones inesperadas. Las técnicas de aprendizaje automático pueden ayudar, al capacitar a los inversores con datos del mundo real para ajustar las operaciones.

Por supuesto, existen muchos otros desafíos para construir la red del futuro, como encontrar mejores formas de almacenar electricidad procedente de parques solares y eólicos, cómo construir las líneas de transmisión necesarias y cómo acelerar la conexión de instalaciones de energía renovable a la red, actualmente atrasada debido a problemas regulatorios.

Hidalgo-González dice que la red eléctrica del futuro debe ser más fuerte y resiliente para todos. La red eléctrica estadounidense actual fomenta muchas desigualdades sociales. Tiende a ser débil y menos confiable, por ejemplo, en comunidades de bajos ingresos que son más vulnerables al clima extremo que en comunidades más ricas. En 2021, por ejemplo, el huracán Ida dejó sin electricidad a más de 1 millón de personas en Luisiana, y algunas comunidades de bajos ingresos no la recuperaron durante semanas.

La energía renovable, impulsada por inversores que forman la red, puede desempeñar un papel importante para hacer que la red sea más resiliente y equitativa, dice Hidalgo-González. "Tenemos que ir muy rápido", afirma, "si queremos tomar en serio el cambio climático".

Preguntas o comentarios en este articulo? Envíenos un correo electrónico a [email protected] | Preguntas frecuentes sobre reimpresiones

Una versión de este artículo aparece en la edición del 26 de agosto de 2023 de Science News.

Alexandra Witze es corresponsal colaboradora de Science News. Con sede en Boulder, Colorado, Witze se especializa en ciencias terrestres, planetarias y astronómicas.

Nuestra misión es proporcionar al público noticias científicas precisas y atractivas. Esa misión nunca ha sido más importante que hoy.

Como organización de noticias sin fines de lucro, no podemos hacerlo sin usted.

Su apoyo nos permite mantener nuestro contenido gratuito y accesible para la próxima generación de científicos e ingenieros. Invierta en periodismo científico de calidad haciendo una donación hoy.