Lifeline for Renewable Power (Línea de vida para energía renovable)

Empuje a través de una puerta giratoria a prueba de balas en un edificio anodino en una parte lúgubre del antiguo Berlín Este y entrará al centro de control de Vattenfall Europe Transmission, la compañía que controla la red eléctrica del noreste de Alemania. Un monitor que muestra un diagrama de esa cuadrícula ocupa la mayor parte de una pared. Una serie de pantallas más pequeñas muestran la producción en tiempo real de las turbinas eólicas regionales y la producción que se había pronosticado el día anterior. Alemania es el mayor usuario mundial de energía eólica, con suficientes turbinas para producir 22.250 megavatios de electricidad. Eso es aproximadamente el equivalente a la producción de 22 plantas de carbón, suficiente para satisfacer alrededor del 6 por ciento de las necesidades de Alemania. Y debido a que el área de servicio de Vattenfall produce el 41 por ciento de la energía eólica alemana, la sala de control es un campo de pruebas crítico para la capacidad de la red para manejar energía renovable.



Líneas verdes: Aprovechar la energía de granjas eólicas y solares remotas requerirá más líneas de transmisión de alto voltaje como estas, cerca de Yermo, CA, que unen el sur de Nevada con Los Ángeles.

Como todas las redes eléctricas, la que gestiona Vattenfall debe hacer coincidir continuamente la producción de energía con la demanda de hogares, oficinas y fábricas. El desafío es mantener un suministro de energía estable mientras se incorpora electricidad de una fuente tan errática como el viento. Si hay muy poca energía generada por el viento, los ingenieros de la empresa podrían tener que poner en marcha plantas de energía de combustibles fósiles con poca antelación, un proceso ineficiente. Si hay demasiado, podría sobrecargar el sistema, provocando apagones o forzando el cierre de las plantas.



Sin embargo, los ingenieros tienen pocas opciones. La red tiene una capacidad limitada para derivar energía adicional a otras regiones y no tiene capacidad de almacenamiento de energía más allá de un puñado de pequeñas instalaciones que bombean agua a reservorios cuesta arriba y luego la liberan a través de turbinas durante los períodos de máxima demanda. Entonces, cada mañana, cuando las oficinas y las fábricas encienden su energía, los ingenieros deben usar las predicciones del viento para ayudar a decidir cuánta electricidad deben comenzar a producir las plantas convencionales.



Pero esas predicciones están lejos de ser perfectas. A medida que surgen más y más turbinas eólicas en Alemania, también surgen las sobrecargas y la escasez causadas por cambios inesperados en el nivel del viento. En 2007, los ingenieros de Vattenfall tuvieron que desechar sus planes de programación diaria aproximadamente cada dos días para reconfigurar el suministro de electricidad sobre la marcha; a principios de 2008, estos cambios se hicieron necesarios todos los días. Las centrales eléctricas tuvieron que encenderse y apagarse de manera ineficiente, y la empresa tuvo que realizar compras de electricidad de emergencia a precios elevados. Los días de vientos muy fuertes y poca demanda incluso obligaron a los trabajadores de Vattenfall a cerrar rápidamente los parques eólicos.

Cuaderno del reportero : David Talbot

Los problemas de Vattenfall son una vista previa de los inmensos desafíos que se avecinan a medida que la energía de fuentes renovables, principalmente eólica y solar, comience a desempeñar un papel más importante en todo el mundo. Para hacer uso de esta energía limpia, necesitaremos más líneas de transmisión que puedan transportar energía de una región a otra y conectar las ciudades hambrientas de energía con las áreas remotas donde es probable que se genere gran parte de nuestra energía renovable. También necesitaremos controles mucho más inteligentes en todo el sistema de distribución: tecnologías que puedan almacenar electricidad adicional de los parques eólicos en las baterías de los automóviles híbridos enchufables, por ejemplo, o encender y apagar de forma remota los electrodomésticos que consumen mucha energía a medida que aumenta el suministro de energía. y cae.

Si estas actualizaciones de la red no ocurren, los nuevos proyectos de energía renovable podrían paralizarse, porque colocarían tensiones inaceptables en los sistemas eléctricos existentes. Según un estudio reciente financiado por la Comisión Europea, la creciente producción de electricidad a partir del viento (las nuevas instalaciones programadas para los mares del Norte y Báltico podrían agregar otros 25.000 megavatios a la red de Alemania para 2030) podría causar en ocasiones sobrecargas masivas. En los Estados Unidos, la North American Electric Reliability Corporation, una organización no gubernamental creada para regular la industria después de un gran apagón de 1965, hizo una advertencia similar en noviembre. Ya estamos operando el sistema más cerca del borde que en el pasado, dice el presidente del grupo, Rick Sergel. Simplemente no tenemos la capacidad de transmisión disponible para integrar adecuadamente nuevos recursos renovables.



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  • Vea gráficos e infografías sobre las fuentes de electricidad de EE. UU., Las demandas y la renovación de la red.

Volver a lo básico: Incrementar la energía renovable en los EE. UU. No requerirá tanto de nueva tecnología como de infraestructura básica, como esta subestación cerca de Santa Clarita, CA, para ayudar a llevar esa energía al mercado.

El desafío al que se enfrenta Estados Unidos es particularmente sorprendente. Mientras que Alemania ya obtiene el 14 por ciento de su electricidad de fuentes renovables, Estados Unidos obtiene solo alrededor del 1 por ciento de su electricidad de la energía eólica, solar y geotérmica combinada. Pero más de la mitad de los estados se han fijado metas ambiciosas para aumentar el uso de energías renovables, y el presidente electo Barack Obama quiere que el 10 por ciento de la electricidad del país provenga de fuentes renovables al final de su primer mandato, aumentando al 25 por ciento para 2025. Sin embargo, a diferencia de Alemania, que ha comenzado a planificar nuevas líneas de transmisión y ha aprobado nuevas leyes destinadas a acelerar su construcción, Estados Unidos no tiene ningún esfuerzo nacional en marcha para modernizar su sistema. La falta de mejora de nuestra red será una carga importante para el desarrollo de nuevas tecnologías renovables, dice Vinod Khosla, fundador de Khosla Ventures, una empresa de capital de riesgo en Menlo Park, CA, que ha invertido mucho en tecnologías energéticas.

Gridlock
Cuando comenzó su construcción a fines del siglo XIX, la red eléctrica de EE. UU. Estaba destinada a llevar la energía más barata a la mayoría de las personas. Durante el siglo pasado, los monopolios regionales y las agencias gubernamentales han construido plantas de energía, en su mayoría alimentadas con combustibles fósiles, lo más cerca posible de los centros de población. También han construido redes de transmisión y distribución diseñadas para servir a los consumidores de electricidad de cada región. Se ha desarrollado un sistema de mosaico, y las conexiones que existen entre las redes locales se utilizan principalmente como dispositivos de protección contra cortes de energía. Hoy en día, la red de los Estados Unidos abarca 164,000 millas de líneas de transmisión de alto voltaje, esas conocidas filas de torres de acero que transportan electricidad desde las plantas de energía a las subestaciones, y más de 5,000 redes de distribución local. Pero aunque su tamaño y complejidad han crecido enormemente, la estructura básica de la red ha cambiado poco desde que Thomas Edison conectó un sistema de distribución que atiende a 59 clientes en el bajo Manhattan en 1882. Si Edison se despertara hoy y mirara la red, lo haría decir, 'Ahí es donde lo dejé', dice Guido Bartels, gerente general del grupo IBM Global Energy and Utilities Industry.



Si bien esta estructura ha funcionado notablemente bien para entregar energía barata a una amplia población, no es particularmente adecuada para fuentes de energía fluctuantes como la solar y la eólica. En primer lugar, las líneas de transmisión no están en los lugares correctos. Las llanuras racheadas del Medio Oeste y los desiertos bañados por el sol del Sudoeste, áreas que teóricamente podrían proporcionar a toda la nación energía eólica y solar, están en los extremos de la red, aisladas de las arterias gordas que suministran energía a, digamos, Chicago o Los Ángeles. En segundo lugar, la red carece de capacidad de almacenamiento para manejar la variabilidad, para convertir una fuente como la energía solar, que no genera energía durante la noche y poca durante los días nublados, en una fuente constante de electricidad. Y finalmente, la cuadrícula es, en su mayor parte, un tonto sistema unidireccional. Tenga en cuenta que cuando se corta la electricidad en su calle, la empresa de servicios públicos probablemente no se enterará a menos que usted o uno de sus vecinos conteste el teléfono. Ese no es el tipo de sistema que podría monitorear y administrar la salida fluctuante de los paneles solares en los techos o las turbinas eólicas distribuidas.

La estructura reguladora de la red de EE. UU. Es igualmente anticuada. Si bien la Comisión Reguladora de Energía Federal (FERC) puede aprobar las solicitudes de las empresas de servicios públicos para las tarifas de electricidad y la transmisión de licencias a través de las líneas estatales, los estados individuales retienen el control sobre si se construyen las principales líneas de transmisión y dónde. En la década de 1990, muchos estados revisaron sus regulaciones en un intento de introducir competencia en el mercado de la energía. Las empresas de servicios públicos tuvieron que abrir sus líneas de transmisión a otros productores de energía. Un efecto de estos movimientos regulatorios fue que las empresas tenían menos incentivos para invertir en la red que en nuevas plantas de energía, y nadie tenía la responsabilidad clara de expandir la infraestructura de transmisión. Al mismo tiempo, el mercado más abierto significó que los productores comenzaron a tratar de vender energía a regiones más lejanas, colocando nuevas cargas en las conexiones existentes entre redes. El resultado ha sido una escasez de transmisión nacional.

Estos problemas pueden ser ahora el mayor obstáculo para un uso más amplio de la energía renovable, que de otra manera parece cada vez más viable. Investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, CO, han concluido que no hay ninguna razón técnica o económica por la que Estados Unidos no pueda obtener el 20 por ciento de su electricidad de turbinas eólicas para 2030. Sin embargo, los investigadores calculan que alcanzar este objetivo Requeriría una inversión de $ 60 mil millones en 12,650 millas de nuevas líneas de transmisión para conectar los parques eólicos a la red y ayudar a equilibrar su producción con la de otras fuentes de electricidad y con la demanda de los consumidores. La infraestructura de red inadecuada es, con mucho, el problema número uno con respecto a la expansión de la energía eólica, dice Steve Specker, presidente del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) en Palo Alto, CA, la instalación de investigación de la industria. Ya está comenzando a restringir parte del crecimiento potencial del viento en algunas partes del oeste.



El Operador Independiente del Sistema de Transmisión del Medio Oeste, que administra la red en una región que cubre partes de 15 estados desde Pensilvania hasta Montana, ha recibido cientos de solicitudes para conexiones a la red de posibles desarrolladores de energía cuyos proyectos eólicos propuestos generarían colectivamente 67,000 megavatios de energía. Eso es más de 14 veces más energía eólica que la que produce la región ahora, y mucho más de la que podría consumir por sí sola; representaría alrededor del 6 por ciento del consumo total de electricidad de EE. UU. Pero el sistema de transmisión existente no tiene la capacidad para llevar tanta electricidad a las partes del país que la necesitan. En muchos de los estados de la región, no existe una urgencia particular para hacer avanzar las cosas, ya que cada uno tiene todo el poder que necesita. Por lo tanto, la mayoría de las aplicaciones para conexiones a la red simplemente están esperando en fila, algunas bloqueadas por la falta de infraestructura y otras por demoras burocráticas y regulatorias.

Lisa Daniels, por ejemplo, esperó tres años para una conexión a la red para un desarrollo planificado de 9 a 12 turbinas en su terreno en Kenyon, MN, 60 millas al sur de Minneapolis. La instalación sería capaz de producir 18 megavatios de potencia. Su sitio, a solo una milla y media de una subestación, está listo para excavadoras, dice Daniels, quien también es director ejecutivo de una organización regional sin fines de lucro que tiene como objetivo fomentar los proyectos eólicos locales. El sistema debería ser plug-and-play, pero no lo es, dice.

Sin embargo, las empresas de servicios públicos son reacias a construir nueva capacidad de transmisión hasta que sepan que la producción de energía de los parques eólicos y solares remotos lo justificará. Al mismo tiempo, los inversores en energías renovables se muestran reacios a construir nuevos parques eólicos o solares hasta que sepan que pueden llevar su energía al mercado. La mayoría de las veces, eligen esperar a que haya nueva capacidad de transmisión antes de molestarse en hacer propuestas, dice Suedeen Kelly, comisionada de la FERC. Es una cosa como la del huevo y la gallina, dice.

Más inteligencia
El laboratorio sin ventanas de GE Global Research en Niskayuna, Nueva York, está equipado con electrodomésticos de cocina y revestido con pantallas de pared como las de los centros de control de una red eléctrica. En el laboratorio, Juan de Bedout, gerente del Laboratorio de Sistemas de Propulsión y Energía Eléctrica, describe cómo una red inteligente podría ayudar a que las energías renovables sean prácticas. Imagínese, dice, que la velocidad del viento desciende repentinamente en un parque eólico, o que un banco de nubes se mueve sobre una instalación fotovoltaica. Los sistemas de control de transmisión existentes, como los de Vattenfall, detectarán la caída en el suministro y ordenarán aumentos en la producción de energía de otras fuentes, particularmente plantas de gas natural, que pueden encenderse rápidamente.

Pero en una red inteligente, el controlador podría enviar un mensaje a un sistema de distribución regional, buscando una reducción de la demanda. Instantáneamente, se enviaría una señal a los medidores en los hogares u oficinas de los clientes que habían acordado, a cambio de reducciones de tarifas, permitir que la empresa de servicios públicos manipulara algunos de sus electrodomésticos para reducir el consumo de energía durante las caídas de suministro. En cuestión de segundos, los calentadores de agua eléctricos se apagarían durante unos minutos y los termostatos electrónicos se ajustarían automáticamente en dos o tres grados. No habría necesidad de encender la planta de gas natural.

Ráfaga de viento: Los parques eólicos existentes en el sur de California, como este al norte de Santa Clarita, se están ampliando con granjas más grandes a medida que nuevas líneas de transmisión unen el área con el gran Los Ángeles.

En uno de los proyectos piloto más avanzados que prueban dicho sistema, la empresa de servicios públicos con sede en Minneapolis Xcel Energy y varios proveedores están invirtiendo $ 100 millones para instalar una infraestructura de red inteligente en Boulder, CO. En estos días, un equipo de Xcel de 115 personas está fuera a tiempo completo, instalando medidores eléctricos bidireccionales en 50.000 viviendas. Los propietarios están obteniendo un software que les permite ver y administrar su consumo de energía en la Web, y algunos de sus electrodomésticos están equipados con interruptores que permitirán que la empresa de servicios públicos los apague de forma remota durante los períodos de alta demanda.

Las tecnologías de redes inteligentes podrían reducir el consumo total de electricidad en un 6 por ciento y la demanda máxima hasta en un 27 por ciento. Las reducciones de la demanda máxima por sí solas ahorrarían entre $ 175 mil millones y $ 332 mil millones en 20 años, según Brattle Group, una consultora en Cambridge, MA. La menor demanda no solo liberaría la capacidad de transmisión, sino que la inversión de capital que de otro modo sería necesaria para las nuevas centrales eléctricas convencionales podría redirigirse a las energías renovables. Esto se debe a que las tecnologías de redes inteligentes harían que las pequeñas instalaciones de turbinas eólicas y paneles fotovoltaicos fueran mucho más prácticas. Permitirán que se integren cantidades mucho mayores de energías renovables en la red y reducirán el costo general efectivo de todo el sistema de esas energías renovables, dice Peter Fox-Penner de Brattle Group.

En Boulder, por ejemplo, Xcel está animando a los consumidores a instalar paneles solares en sus techos y bancos de baterías en sus sótanos, como parte de un plan para demostrar cómo la energía variable producida por miles o millones de techos solares podría almacenarse en hogares individuales y alimentado a la rejilla cuando sea necesario. En los últimos meses, Xcel incluso ha comprado algunos coches híbridos enchufables y los ha conectado a la red para probar el software que permitiría que los vehículos actúen como dispositivos de almacenamiento de energía.

Y Xcel no está solo. Tanto las nuevas empresas como las grandes empresas están perfeccionando y comercializando materiales para techos solares, dispositivos de almacenamiento de energía para sótanos, baterías para híbridos enchufables y software inteligente para optimizar el uso de la electricidad. Pero así como la generación de energía renovable a gran escala depende de la mejora de la infraestructura de transmisión, muchos de estos avances son inútiles sin mejores controles de la red. No puede usar una batería enchufable para el almacenamiento de la red si la red no puede recuperar energía del automóvil de manera inteligente.

La buena noticia es que muchas empresas de servicios públicos han comenzado a instalar los medidores necesarios, que monitorean de manera inteligente el flujo de energía que entra y sale de una casa. La pregunta ahora es cómo ir más allá de la tormenta de proyectos piloto, instalar tecnologías más inteligentes en la red y comenzar a integrar más energía renovable en la nueva infraestructura. La visión de la red inteligente es agradable; todos tenemos nuestras diapositivas de PowerPoint en color, dice Don Von Dollen, quien administra la investigación de redes inteligentes en EPRI. Creo que la gente ya tiene la visión. Ahora es el momento de hacer las cosas.

Círculo vicioso
El verano pasado, el exvicepresidente Al Gore comenzó a argumentar que el país necesitaba implementar un sistema eléctrico completamente libre de carbono en una década para evitar el peligro del calentamiento global. Como parte de su visión, Gore pidió una red inteligente nacional unificada que trasladaría la energía generada a partir de fuentes renovables a las ciudades, aumentaría la eficiencia del uso de la electricidad y permitiría un mayor control sobre los recursos renovables. Estimó que la revisión de la red costaría $ 400 mil millones en 10 años.

El plan de Gore no explica exactamente cómo se ejecutaría un proyecto tan masivo. Si es más rápido tener una legislación integral que haga que los estados trabajen juntos y haga que el capital privado fluya, genial, dice Cathy Zoi, directora ejecutiva de Alliance for Climate Protection, la organización sin fines de lucro que Gore fundó en Menlo Park, CA, para presionar por urgencias. acción sobre el cambio climático. Si es más rápido y fácil asignar dinero federal y hacerlo como un proyecto de obras públicas, también está bien. No estamos atados a un solo instrumento de política.

En este momento, por supuesto, no se ha adoptado ninguna estrategia. Si bien los proyectos piloto como el de Boulder valen la pena como una forma de demostrar nuevas tecnologías, se han implementado en forma de mezcolanza, con diferentes empresas de servicios públicos que implementan diferentes tecnologías en diferentes estados. Los proyectos de transmisión avanzan gradualmente, pero a menudo se complican por conflictos entre los estados. Lo que tenemos hoy es este mosaico de reglas y regulaciones que varían según el estado, dice Peter Corsell, CEO de GridPoint, una startup en Arlington, VA, que fabrica software de redes inteligentes y está participando en el proyecto Boulder. Todos estamos atrincherados en este sistema roto y no hay acuerdo sobre cómo solucionarlo. Es un círculo vicioso.

Algunos piensan que la respuesta es darle más autoridad a la FERC. Hoy, la agencia puede invalidar las decisiones de los estados sobre dónde ubicar las líneas de transmisión, pero solo en las regiones que el Departamento de Energía de EE. UU. Ha designado como críticas para la seguridad del suministro de electricidad. Hasta ahora, solo se han designado dos de esos corredores: uno en los estados del Atlántico medio y otro en el suroeste. Incluso en esas regiones, continúan los retrasos. Southern California Edison ha propuesto una importante línea de transmisión en el corredor suroeste; extendiéndose desde las afueras de Los Ángeles hasta cerca de Phoenix, AZ, podría manejar la energía generada por futuras plantas de energía fotovoltaica y termosolar. Pero Arizona rechazó la idea, por lo que la empresa de servicios públicos se está preparando para llevar sus planes a FERC.

Otros piensan que la solución es una nueva política federal que haría más lucrativo el mercado de energía renovable, tal vez regulando las emisiones de dióxido de carbono, como haría la política de tope y comercio propuesta por Obama. Bajo tal política, la energía eólica y otras fuentes de electricidad libres de carbono serían mucho más valiosas, proporcionando un incentivo para que las empresas de servicios públicos amplíen su capacidad para manejarlas. (ver Preguntas y Respuestas, p. 28) . Todo podría cambiar muy rápido, dice Will Kaul, vicepresidente de transmisión de Great River Energy en Minnesota, quien encabeza un esfuerzo conjunto de planificación de transmisión que incluye 11 empresas de servicios públicos en el Medio Oeste. Si hubiera una política de carbono o un estándar nacional de energía renovable, entonces la escala de la generación eólica explotaría.

Como advierten Gore y otros expertos ambientales, y como testificarían los ingenieros de Vattenfall, una explosión en el uso de energías renovables dependerá en gran medida de la mejora de la red. Eso no será barato, pero la recompensa puede valer la pena. Deberíamos pensar en esto de la misma manera que pensamos en el papel del sistema de carreteras federal, dice Ernest Moniz, profesor de física en el MIT que dirige la iniciativa de investigación energética de la escuela. Es el habilitador clave que nos permite modernizar todo nuestro sistema de producción de electricidad. Y las energías renovables son un beneficiario especialmente importante. No hay ninguna razón tecnológica por la que no podamos avanzar en esto de manera agresiva.

David Talbot es Revisión de tecnología Corresponsal en Jefe.

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