Los cortes de la red en Texas provocan un debate sobre los desafíos de la integración de la energía renovable

Con el lema "Todo es más grande en Texas", se podría asumir que la red de energía eléctrica del estado estaría bien equipada para manejar las altas demandas de energía asociadas con el clima extremo. Sin embargo, Texas se encuentra actualmente en estado de emergencia porque las redes eléctricas de todo el estado no pueden satisfacer las demandas actuales de energía y calor durante la tormenta invernal Uri.

Esquema de un sistema de distribución de energía convencional en el que si "la red" fallara, no habría energía para los clientes. Imagen utilizada por cortesía del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica

El Consejo de Confiabilidad Eléctrica de Texas (ERCOT), una organización sin fines de lucro controlada por la legislatura estatal, es responsable de la carga eléctrica de Texas y afirma que este desastre no podría haberse evitado, es de naturaleza infraestructural. ERCOT ha perdido casi 11.000 MW de su carga de energía para proteger la red eléctrica, dejando a millones sin energía en medio de temperaturas bajo cero.
Este evento ha estimulado una mayor conversación sobre el papel de la energía renovable en los sistemas de red. Si bien algunos críticos han culpado falsamente de los apagones en Texas a las turbinas eólicas congeladas, otros han postulado que el ERCOT podría haber amortiguado el alcance de las interrupciones al tener fuentes de respaldo de generación de energía.
Actualmente, Texas depende del carbón, el gas natural y las plantas nucleares para proporcionar energía (con la excepción de algunas turbinas eólicas). Sin embargo, en general, las fuentes de energía renovable (ER) no juegan un papel significativo (solo alrededor del 25%) en la infraestructura eléctrica total del estado.

Cinco obstáculos para la integración de la red de energía renovable

En 2016, las turbinas eólicas generaron 487 GW de energía y la energía solar generó 303 GW de energía en todo el mundo. Los defensores de los sistemas de energía renovable (ER) afirman que estas formas de generación de energía no solo luchan contra el cambio climático; también brindan soporte a las redes eléctricas tradicionales de baja y alta tensión.

Diagrama de un sistema fotovoltaico. Imagen utilizada cortesía de Varun Kumar et. Alabama

¿Por qué, entonces, es difícil integrar los sistemas de energía renovable en las redes actuales en dificultades, como las de Texas?

Los sistemas RE son bidireccionales
La implementación de un nuevo sistema de energía renovable en un sistema tradicional de distribución de energía de alta a baja presenta muchos desafíos. Las redes eléctricas se basan en parámetros de frecuencia y voltaje para garantizar que el flujo de energía se mueva en una dirección. La integración de RE no sigue las mismas reglas. Debido a que los sistemas de energía renovable son bidireccionales, la integración de estas fuentes de energía en una red eléctrica tradicional podría causar variaciones de voltaje y frecuencia desconocidas.

La integración de la red de sistemas renovables generalmente ocurre a nivel de distribución (a diferencia del nivel de transmisión para sistemas más grandes). Imagen utilizada por cortesía del Dr. K.V. Vidyanandan y Balkrishn Kamath

Los desafíos de los generadores de energía renovable
A nivel de distribución, se podrían introducir generadores de energía renovable para ayudar a respaldar todos los niveles del nuevo sistema. Tradicionalmente, un subsistema operaría a un voltaje y bajaría a voltajes más bajos o aumentaría, pero no cuando ambos están en la misma ubicación. El uso de generadores de energía renovable requeriría que los niveles de voltaje en cada subestación sean monitoreados y protegidos.
Si se implementara una fuente solar fotovoltaica (PV) en una fuente monofásica, podría causar un desequilibrio en el sistema. Con un sistema desequilibrado, el sistema trifásico de interconexión seguirá su ejemplo, dejando que los generadores de energía renovable se sobrecalienten y se apaguen.

La detección de fallas se complica
Otro obstáculo que surge al introducir la energía renovable en las redes eléctricas tradicionales es la protección potencial de persianas. Los sistemas de distribución están balanceados con dispositivos como relés, fusibles y transformadores que ayudan a proteger la red contra fallas de cualquier voltaje, corriente o entrada de frecuencia anormal.

Fluctuación de corrientes de falla en base a interconexión de generación distribuida. Imagen utilizada por cortesía del Dr. K.V. Vidyanandan y Balkrishn Kamath

Al integrar nuevas fuentes de energía renovable, la red experimentará una reducción de las corrientes de falla. Una reducción debería ser algo bueno, pero en este caso, puede permitir que las fallas de cortocircuito pasen desapercibidas. Esto puede provocar que los dispositivos no protegidos funcionen mal y se sobrecalienten.

Recuentos de componentes más altos
La integración en la red de fuentes de energía renovable, como las turbinas eólicas de velocidad variable, genera más energía que la tecnología de velocidad fija. Estas fuentes de energía renovable de velocidad variable incurren en menos estrés mecánico y menos fluctuaciones de potencia, lo que permite almacenar más energía cinética. El problema con estas turbinas es que requieren convertidores de potencia, lo que aumenta la cantidad de componentes y hace que los controles sean más complejos.
Las turbinas eólicas de velocidad variable a menudo tienen una mayor distorsión armónica, lo que requiere inversores de potencia robustos para mitigar los armónicos. Además, los generadores de energía renovable requieren filtros adaptables para manejar la regulación de frecuencia y voltaje. Sin embargo, esto también aumenta el costo de los componentes agregados en cada generador de energía renovable, lo que podría extenderse a cientos para una ciudad importante.

Problemas a nivel de circuito
Llevar energía eólica y solar a la red eléctrica también presenta desafíos a nivel de circuito. La integración de ER puede afectar notablemente la regulación de voltaje, la distorsión armónica, la calidad de la energía y la estabilidad del sistema. Estos problemas pueden manifestarse en flujo de energía inverso, niveles fluctuantes de cortocircuito, congestión de la red y problemas de dispositivos indetectables.
Debido a que el flujo de energía bidireccional puede ser difícil de analizar, los desarrolladores pueden necesitar mejorar los circuitos reguladores de voltaje. Algunos investigadores están introduciendo una arquitectura de interfaz de red con controladores de lógica difusa para mejorar la calidad del voltaje. Esto ayudará a controlar y organizar el flujo de energía bidireccional.

Un camino incierto hacia adelante con energías renovables

Si bien EE. UU. Tiene un diseño de despliegue de energía similar al de Alemania, Alemania ha estado aumentando la energía solar fotovoltaica y eólica en sus redes de energía tradicionales desde 2003.
La modernización de la red de energía renovable es un objetivo que vale la pena, pero no está exento de desafíos, como hemos descrito. Esta integración requeriría que los desarrolladores reconduzcan la infraestructura de energía actual para incorporar tecnología inteligente como sensores, comunicaciones, generadores y almacenamiento de energía. La introducción de inversores inteligentes que pueden funcionar con flujo de energía bidireccional puede hacer que los sistemas de energía renovable sean más atractivos.

Las estadísticas estadounidenses de capacidad fotovoltaica como porcentaje de la capacidad energética total en comparación con Alemania. Imagen utilizada por cortesía del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica

A pesar de estos desafíos, una red integrada que distribuya energía equilibrada puede ayudar durante las interrupciones y minimizar el tiempo de inactividad en el caso de un mal funcionamiento del circuito. Si bien vale la pena considerar los problemas de infraestructura e incluso a nivel de circuito asociados con la integración de sistemas de energía renovable en una red tradicional, la integración lenta de generadores solares y eólicos puede al menos mejorar los cortes devastadores en el futuro.

Imagen destacada utilizada por cortesía de David J. Phillip / AP