Energía
Crecimiento Solar Exige una Red Eléctrica más Inteligente y Resistente
La Transición Global de los Combustibles Fósiles a las Redes de Energía Solar
En el aftermath de la caída de la red de energía en la Península Ibérica (Portugal y España), muchos cuestionaron la causa raíz de lo que sucedió. Y, como muchas cosas hoy en día, la discusión se politizó rápidamente, con la energía solar acusada de ser la razón del colapso.
Fuente: RNZ
Y puede que sea parcialmente cierto, al menos en alguna medida. La red de energía fue diseñada décadas atrás, con un diseño centralizado y centrado en combustibles fósiles, construido alrededor de unas pocas plantas de energía masivas capaces de generar energía a demanda.
En comparación, un suministro de energía renovable descentralizado funciona de muchas maneras diferentes. A medida que la energía solar se vuelve más barata, es probable que tome más y más de la generación total de energía. Actualmente, la energía solar representa el 80% de la nueva generación de energía agregada a la red, y la energía eólica otro 10%.
La energía solar y eólica continuaron expandiéndose, representando conjuntamente el 96,6% de todas las adiciones netas de renovables en 2024. Más de tres cuartos de la expansión de capacidad fue en energía solar, que aumentó un 32,2%, alcanzando 1.865 GW, seguida de la energía eólica, que creció un 11,1%.
Irena
Así que, mientras que un suministro de energía verde y basado en renovables parece inminente, hacer que la red de energía sea capaz de manejarlo será vital. Especialmente ya que cualquier fallo en la red de energía, como el reciente, si fue realmente causado por el suministro de energía solar, ralentizará la adopción de energía solar y causará indirectamente que las emisiones de carbono se mantengan altas durante más tiempo.
Cómo Funcionan las Redes Eléctricas y Por Qué Fallan
Un elemento clave para entender la importancia de la red de energía y las dificultades para mantenerla en funcionamiento es que la electricidad es muy difícil de almacenar.
En teoría, esto es lo que hacen las baterías, pero la red de energía de un país funciona con niveles de energía varios órdenes de magnitud superiores a lo que incluso las instalaciones de baterías más grandes pueden almacenar.
Así que, por ahora, la energía debe producirse en exactamente la misma cantidad que se consume, en tiempo real.
Para agregar a esta tarea difícil, la energía también necesita ser entregada en el lugar correcto y en el momento correcto. Por ejemplo, la energía solar generada en Nevada no ayudará a la red de Kansas si no está conectada a ella con suficientes líneas de energía. En el caso de España, las interconexiones con el sistema de red de energía francés no eran lo suficientemente grandes como para salvarla de sus problemas localizados.
Fuente: ResearchGate
Finalmente, los cambios en el voltaje necesitan ser realizados. La transmisión de energía a larga distancia solo se puede hacer de manera eficiente a alto voltaje, lo que requiere transformadores para aumentar el voltaje antes de empujar la electricidad a las líneas de energía. El consumo necesita ser realizado a un voltaje más bajo, lo que también se hace con transformadores.
Fuente: EIA
Fallo de la Red de Energía en España: ¿Qué Salio Mal?
Problemas de Frecuencia
Mientras que es probable que las causas raíz del colapso de la red ibérica sean debatidas durante meses y años, tenemos algunos puntos de datos que pueden indicar parcialmente qué sucedió.
El primer punto es que el punto de fallo real no fue sobre generación de energía excesiva o insuficiente, sino sobre la frecuencia eléctrica de la red.
La frecuencia de utilidad es una característica técnica de la red, determinada por la oscilación de la corriente alterna.
Fuente: Wikipedia
Diferentes redes de energía tienen diferentes frecuencias estándar, lo que las hace incompatibles entre sí. Por ejemplo, los estados bálticos acaban de cambiar a la frecuencia europea, después de décadas de mantener la frecuencia heredada de la URSS.
Si la frecuencia se desvía demasiado de los estándares, puede literalmente destruir transformadores y otros equipos de alta potencia, así como dispositivos de usuarios regulares. Hay numerosos mecanismos incorporados en los dispositivos de energía eléctrica para desconectar automáticamente si la frecuencia fluctúa excesivamente.
¿La Energía Solar Causó el Fallo de la Red en España?
La frecuencia de la red solía ser generada y estabilizada por la rotación física de generadores masivos, generalmente impulsados por combustibles fósiles, pero también por hidroelectricidad y plantas nucleares. Esto dio a la red mucha inercia, lo que la hizo muy difícil de desviarse mucho de los niveles deseados. Sin embargo, la energía solar no genera tal inercia.
Fuente: SmartGrid
Así que no es tanto que la generación de energía solar creara el colapso, sino que su falta de inercia no ayudó a estabilizar la frecuencia de la red, lo que fue un factor clave en el colapso.
Aún así, no explica por qué la frecuencia fluctuó en primer lugar. Además de la falta de inercia, que se puede vincular a la energía solar, parece que algunas malas prácticas y diseños antiguos también contribuyeron al colapso de la red ibérica, haciendo que fuera vulnerable a lo que el operador de la red describió como un “fenómeno meteorológico extremadamente raro“.
Mejorando las Redes de Energía para un Futuro de Energía Renovable
Como los diseños antiguos de transformadores, líneas de energía y otra infraestructura son la causa más común de apagones, tiene sentido que el primer paso para mejorar la red de energía sea actualizar el equipo.
Un paso adelante es lo que se conoce como redes inteligentes, que monitorean mucho más de cerca lo que sucede en cada nivel de la red de energía en tiempo real, en lugar de un análisis más general. Esto también incluye muchos sistemas automáticos individuales.
De esta manera, una fluctuación en la frecuencia localizada en un área específica, debido a un evento meteorológico, por ejemplo, podría ser aislada del resto de la red de inmediato antes de que se propague el problema aún más.
Las mejoras en las líneas de energía también pueden ayudar. Una red de energía más densa permite rerutar la energía de una región a otra y reduce la sensibilidad a un solo punto de fallo. Un mejor aislamiento o enterrar las líneas de energía también puede protegerlas contra tormentas, nieve y frío, incendios, etc.
Más conexiones entre regiones distantes también pueden ayudar. Esto generalmente requiere infraestructura dedicada para el transporte de energía a larga distancia, algo que China es el líder mundial en, con su “super red” que utiliza líneas de corriente alterna y continua de ultra alta tensión (UHV), con ya 30.000 km de líneas UHV (18.600 millas).
Fuente: IEEE
Es probable que se necesiten conexiones transcontinentales similares en Europa y Norteamérica, por ejemplo, entre España y el norte de Europa, o entre el este y el oeste de los EE. UU., con muchas redes independientes que no están tan conectadas.
En ese sentido, es probable que no sea un accidente que el peor fallo de la red en los últimos años ocurriera en Texas y España, ambas redes relativamente pequeñas y aisladas.
Fuente: ASME
Finalmente, a medida que la electrificación se convierte en la tendencia dominante en el transporte, la calefacción y los procesos industriales, se necesita más capacidad de transmisión de energía para manejar la creciente demanda que se aleja del carbón, el petróleo y el gas. Esto no requiere un cambio en el diseño o una nueva tecnología, sino más inversión para construir más líneas de energía.
Estabilización de la Frecuencia de la Red en Sistemas de Energía Renovable
Almacenamiento de Energía en Baterías y Inercia Virtual en Redes de Energía
Mientras que las redes inteligentes son parte de la respuesta, principalmente reducirán la exposición a los efectos ambientales y contendrán los fallos en áreas más pequeñas y manejables que un colapso a nivel de país.
Para evitar colapsos en primer lugar, especialmente a medida que la energía solar sin inercia se convierte en la fuente principal de electricidad, se necesitan otras soluciones.
El almacenamiento de energía en baterías a gran escala (LSBS) podría proporcionar algo de ayuda. Estas baterías son, de todos modos, necesarias para un sistema de energía basado en renovables, ya que los paneles solares no producen energía en la noche en el momento de mayor consumo.
También pueden proporcionar inercia de frecuencia, aunque de una manera diferente a la de los generadores tradicionales de gran tamaño. La inercia de las baterías se llama inercia virtual, o sintética, simulada o digital.
Cuando se detectan perturbaciones fuera del rango de frecuencia normal, FFR empuja la frecuencia de la red de regreso a su rango de funcionamiento normal al inyectar o extraer rápidamente energía de la red.
La inercia virtual puede responder incluso más rápido que los generadores tradicionales a la inestabilidad en la frecuencia, en menos de 2 segundos.
Este es un servicio que fue ofrecido comercialmente por primera vez en 2022 por instalaciones de baterías construidas por Tesla (TSLA ).
La Big Battery es capaz de proporcionar ~2.000 “megavatios segundos” (MWs) de equivalencia de inercia para ayudar a mantener la estabilidad de la red. Lo hace a través del servicio de modo de máquina virtual de Tesla. Podrá proporcionar ~15% de la falta de inercia de Australia del Sur.
¿Pueden los Paneles Solares Ayudar a Estabilizar la Frecuencia de la Red?
Por sí mismos, los paneles solares no proporcionan inercia, ya que no hay rotación física y energía cinética para crearla. Pero podrían ser utilizados de maneras para proporcionar apoyo a la red también.
Por ejemplo, los proyectos solares han sido tradicionalmente diseñados e incentivados para maximizar la producción en todo momento. Pero al mantener alguna capacidad de generación de reserva, podrían proporcionarla en caso de una caída en la frecuencia.
Esto es muy fácil de hacer técnicamente y tiene más que ver con cómo las centrales solares son compensadas por las empresas de servicios públicos y los operadores de la red.
El almacenamiento de energía a pequeña escala en el nivel de la planta solar también podría ser utilizado para absorber pequeños picos de energía y un aumento en la frecuencia. El operador de la red podría dedicar una cantidad específica de generación para ser almacenada y puesta a disposición para su envío inmediato si la frecuencia disminuye.
El mismo método podría ser utilizado con los inversores vinculados a los paneles solares. Un controlador de planta podría teóricamente anular el control de los inversores durante un corto período de tiempo para detener una caída en la frecuencia, “haciéndolo caliente”, pero por debajo del nivel en el que se produciría daño físico a los inversores.
En ese escenario, cada inversor de panel solar actuaría como un miniestabilizador, proporcionando inercia virtual adicional.
Restaurando la Inercia de la Red con Soluciones de Giro Mecánico
Si se necesita inercia, y tradicionalmente se proporciona con giradores de cientos de toneladas de metal a alta velocidad, quizás la solución a la falta de inercia es hacer precisamente eso.
Algunos dispositivos y formas de almacenamiento de energía son del tipo giratorio: condensadores síncronos y volantes de inercia.
Condensadores Síncronos: Agregando Inercia a las Redes de Energía
Los condensadores síncronos son motores de corriente continua cuyos ejes no están conectados a nada, sino que giran libremente. No generan ni consumen energía, sino que ajustan las condiciones en la red de transmisión de energía.
Son una muy buena opción para agregar inercia a la red, pero proporcionan muy pocos otros servicios. Así que, si se necesitan muchos de ellos, esto será un costo adicional, lo que parcialmente negará el progreso realizado en la reducción del precio de la energía renovable.
Los condensadores también son muy importantes para reiniciar una red colapsada, ya que proporcionan la inercia necesaria cuando hay poca energía presente en la red. También pueden ayudar a absorber la sobrecarga en la red durante varios segundos, lo que reduce el riesgo de un cortocircuito.
Almacenamiento de Energía en Volantes para la Estabilidad de la Red
Los volantes de inercia son otra opción interesante. Estos discos giratorios son esencialmente baterías giratorias, que almacenan energía en una forma mecánica en lugar de química.
Giran en un vacío sobre un cojinete magnético, girando a velocidades de hasta 20.000 a 50.000 revoluciones por minuto. El sistema almacena o devuelve energía acelerando o desacelerando el volante.
Fuente: Stornetic
Al proporcionar “inercia real” de manera natural, en lugar de inercia virtual, un volante de inercia podría ser una buena opción para agregar a la mezcla de “baterías” necesarias para las redes verdes, proporcionando simultáneamente inercia de frecuencia y almacenamiento de energía. Esto lo coloca por encima de condensadores síncronos más simples que no pueden almacenar y enviar energía.
Soluciones de Almacenamiento de Energía Rotacional Alternativas
Cualquier almacenamiento de energía que gire puede agregar inercia a la red. Así que, más allá de los volantes de inercia, también hay otras opciones.
Por ejemplo, la startup Cheesecake Energy ofrece un paquete modular y contenedorizado de almacenamiento de energía por aire comprimido. El calor generado por la compresión se almacena en grava barata en baterías de calor, y la compresión se realiza con motores de camión reciclados. El almacenamiento y la regeneración de energía también involucran ejes de metal giratorios, similares a un generador convencional.
Otras formas de almacenamiento de energía no químicas existen, como baterías de gravedad, bombeo de agua, almacenamiento de concreto, baterías de calor o energía solar térmica, que exploramos en el artículo dedicado “Alternativas no químicas a las baterías para la transición energética“.
Creando un Mercado para la Inercia de la Red y el Control de Frecuencia
Hasta ahora, la inercia era algo así como un “servicio gratuito” proporcionado por los operadores de plantas de energía con generadores giratorios. O más precisamente, se asumía que esto era parte del servicio pagado cuando las empresas de servicios públicos compraban megavatios de ellos.
Los cambios en la generación de energía significan que se debe crear un mercado explícito para la estabilización de la frecuencia para incentivar la provisión de inercia.
Esto es algo que está siendo pionero por países con redes aisladas, como los estados bálticos.
Con el lanzamiento del mercado de frecuencia por Litgrid (Lituania), Augstsprieguma tīkls (Letonia) y Elering (Estonia), los productores de electricidad pueden presentar ofertas cada mañana para el día siguiente, indicando cuánta energía están dispuestos a mantener en reserva.
El precio es de unos 0,5 centavos por kilovatio-hora, lo que significa aproximadamente 1 euro por mes para un consumidor doméstico.
Desafíos Principales que Ralentizan las Mejoras a las Redes de Energía Globales
Falta de Transformadores Amenaza la Modernización de la Red
Uno de los problemas más prominentes en la mejora de la red hoy en día es la falta de transformadores. Décadas de subinversión en la infraestructura de la red llevaron a la situación en la que no solo se necesita nuevo equipo para lidiar con más consumo, sino también para reemplazar transformadores antiguos.
Fuente: Utility Dive
Un aumento en los daños causados por huracanes y incendios forestales no ayudó.
La demanda adicional también se encuentra con problemas de suministro, ya que el acero eléctrico especial, vital para la reducción de pérdidas de energía en los transformadores, sigue siendo caro y difícil de obtener.
“La entrega de un nuevo transformador pedido hoy podría tardar hasta tres años. Hace cinco años, el tiempo de espera era de cuatro a seis semanas”.
Peter Ferrell – Director de Relaciones Gubernamentales de la Asociación Nacional de Fabricantes de Equipos Eléctricos, o NEMA
Falta de Cobre Puede Obstaculizar las Redes de Energía Renovable
Otro problema que podría ralentizar las mejoras a la red es la falta de recursos naturales. Mientras que el litio y otros minerales para baterías pueden estar en oferta adecuada, no está claro si la producción de cobre a nivel mundial es lo suficientemente alta, especialmente a medida que los vehículos eléctricos y otras tecnologías importantes para la electrificación aumentan el consumo.
Y cambiar la dirección del suministro de cobre puede ser muy lento, con la falta esperada que persista durante años.
“La demanda podría ser satisfecha abriendo tres minas ‘de primer nivel’ (cada una con una capacidad anual de 300.000 toneladas métricas) cada año durante los próximos 29 años, lo que representaría una expansión histórica para la industria, con un costo de más de $500 mil millones.
Las aprobaciones regulatorias para nuevas minas de cobre están en declive, habiendo caído al nivel más bajo en 15 años. Esto es particularmente preocupante, considerando que las minas pueden tardar 10 a 20 años en aprobarse y desarrollarse”
Foro Internacional de la Energía
Aranceles sobre Componentes de la Red Pueden Retrasar las Mejoras en los EE. UU.
Para los EE. UU. en particular, es posible que las guerras comerciales y los aranceles se interpongan en el suministro del equipo que necesitan.
En 2024, China exportó $46.500 millones de transformadores eléctricos, siendo el producto más exportado número 9 (de 1.211) en China, con los EE. UU. como el destino principal (4.660 millones de dólares de comercio).
De manera similar, las baterías y otros componentes electrónicos y de energía probablemente sean suministrados en parte por empresas chinas y necesitarán proveedores alternativos.
Finalmente, la mayoría de las líneas de energía a larga distancia utilizan aluminio, que también estuvo sujeto a aranceles especiales del 25% este año. Esto podría aumentar los costos del proyecto y retrasar las mejoras necesarias a la infraestructura de energía del país.
Conclusión: Construyendo una Red Resistente para un Futuro Verde
Reconstruir la red de energía para manejar el cambio a la energía renovable es una tarea bastante desalentadora. Al reducir la importancia de las turbinas de gas y otras plantas de energía de combustibles fósiles, la transición energética también está eliminando una fuente importante de estabilidad de frecuencia, al mismo tiempo que la producción de energía se vuelve más intermitente.
Al mismo tiempo, la electrificación significa que las redes de energía están más estresadas que nunca por una demanda en constante aumento de transporte, calefacción y actividad industrial.
La energía verde es probable que sea la solución al problema que causa. Los paquetes de baterías, ya necesarios en tamaños masivos para equilibrar la intermitencia de la producción, probablemente se convertirán en los principales proveedores de estabilidad de frecuencia. Los inversores de las plantas solares también probablemente serán movilizados para esta tarea.
Mientras tanto, otras tecnologías como el aire comprimido, los volantes de inercia y los condensadores síncronos también probablemente ayudarán.
A corto plazo, la producción insuficiente de transformadores y el acero especial que requieren obstaculizarán las mejoras a la red.
A largo plazo, la capacidad de recompensar adecuadamente a los proveedores de estabilidad de frecuencia, la voluntad política de mejorar la red de energía y un suministro constante de soluciones de almacenamiento de energía serán los factores clave en una transición energética exitosa.
Invertir en la Red de Energía
GE Vernova
(GEV )
GE Vernova es el resultado de la división de la gran conglomerada GE en 2024 en GE Aerospace, GE HealthCare y GE Vernova, con Vernova en el segmento de energía.
En ese sentido, esto hace que GE Vernova sea el heredero directo del núcleo original de la empresa General Electric de 130 años de antigüedad.
Con actualmente 75.000 empleados en 100+ países, la empresa ha producido 55.000 turbinas eólicas y 7.000 turbinas de gas, ayudando a generar aproximadamente el 25% de la electricidad del mundo.
Está presente en todos los niveles de generación y distribución de energía, especialmente en segmentos relacionados con turbinas como la eólica, la hidroeléctrica y la nuclear, pero también en la red de energía, donde tiene $16 mil millones en proyectos en cartera.
Fuente: GE Vernova
La empresa ve que la demanda de energía crece 2 veces para 2040, con 4 billones de dólares necesarios para reemplazar las plantas de energía de carbón, lo que representa una oportunidad masiva para los fabricantes de equipos eléctricos.
Fuente: GE Vernova
GE es un socio cercano de muchas de las empresas de servicios públicos más grandes del mundo, incluyendo la francesa Engie, la estadounidense Duke Energy (DUK ), y la Southern Company (SO ), la alemana RWE, la española Iberdrola, la Taiwan Power Company, etc.
En cuanto a soluciones de red y electrificación, GE Vernova proporciona sistemas de almacenamiento de energía en baterías, condensadores síncronos, plantas de energía de bombeo, electrificación de hornos, almacenamiento de calor, inversores solares, compresores de hidrógeno, etc.
Fuente: GE Vernova
GE Vernova también es una potencia en investigación y desarrollo relacionados con la energía (gasto anual en I+D de $1.000 millones), especialmente en secuestro de carbono, cables de corriente continua de alta tensión, turbinas de gas de hidrógeno y diseño de reactor modular pequeño (SMR) en asociación con Hitachi.
Fuente: GE Vernova
Los problemas de suministro y la falta de equipo industrial en los EE. UU. podrían ser una oportunidad para la empresa, gracias a un plan de inversión global de $9.000 millones en nuevos proyectos de producción y I+D para 2028. Esto incluye $50 millones para el diseño de combustible nuclear de próxima generación, $300 millones para la energía de gas y las exportaciones de GNL, $600 millones en fábricas en los EE. UU. para 2026, etc.
Debido a la amplitud de la actividad de GE Vernova, los inversores en las acciones de la empresa no necesitan estar seguros de qué tecnología ganará la transición energética en los próximos 5 o 10 años:
- Si el gas natural sigue siendo importante, GE Vernova ya es un actor importante en el segmento.
- Si la nuclear realmente experimenta un resurgimiento, los reactores nucleares y los SMR tendrán éxito.
- Si el hidrógeno, la energía eólica, el bombeo de agua, o la captura y secuestro de carbono están en auge, GE Vernova podrá aprovechar parte de estos mercados también.
Así que, en general, GE Vernova es una buena acción para considerar para los inversores que son conscientes de la creciente demanda de electricidad, la necesidad de una mejor red y confían en que GE será parte de la respuesta, sea con hidroelectricidad, eólica, nuclear o casi cualquier otra forma de energía.
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