Un nuevo centro de investigación de 135 millones de dólares (103 millones de euros) tiene como objetivo resolver el siguiente rompecabezas: ¿cómo se pueden preparar los países para un sistema de energía que dependa en gran medida de la energía renovable? También puede poner a prueba formas de mejorar la fiabilidad bajo estrés, por ejemplo cuando la demanda se dispara en verano con el aumento del uso de aire acondicionado y la presión que eso ejerce en la red eléctrica.
El suministro de energía eólica y solar es intermitente, lo que crea ciertas dificultades para los operadores de red. A esto se añaden otras nuevas tecnologías de energía, entre las que se encuentran los vehículos eléctricos, el almacenamiento de energía, los edificios eficientes capaces de reducir el consumo de energía durante horas punta, los generadores de gas natural a pequeña escala y las células de combustible. La integración de estas tecnologías a gran escala presenta desafíos para los operadores de red.
El NREL, con sede en Golden, Colorado (EE.UU.), ha creado el Centro para la Integración de Sistemas de Energía (ESIF, por sus siglas en inglés) para entender mejor cómo funcionan las piezas de un sistema energético cada vez más diverso. Usando un superordenador y un sistema eléctrico capaz de crear una minired a escala de megavatios dentro del centro, los ingenieros de productos y las compañías eléctricas pueden simular el impacto de las nuevas tecnologías sin causar problemas a las redes que ya se encuentran en funcionamiento.
Las regiones con un alto porcentaje de energía eólica y solar hoy día dependen de pronósticos diarios y centrales eléctricas de reserva a base de combustibles fósiles para mantener la fiabilidad del servicio. Pero una vez que la energía renovable supera el 20 por ciento de la capacidad, los planificadores de la red necesitan herramientas más sofisticadas, afirma Benjamin Kroposki, director de integración de sistemas de energía en el NREL. "Hemos observado un gran cambio. Si tenemos éxito a la hora de alcanzar los objetivos de costes para cada tecnología individual, ¿cuál es el siguiente paso? Tenemos que empezar a integrar los sistemas", señala.
Un análisis del NREL publicado el año pasado encontró que, con un sistema más flexible, en 2050 EE.UU. podría generar el 80 por ciento de su electricidad a partir de tecnologías de energías renovables existentes. Alemania y Dinamarca ya poseen una cuota de electricidad renovable de alrededor del 20 por ciento, y Alemania tiene previsto alcanzar el 80 por ciento, tanto en energía eléctrica como en transporte, para el año 2050.
El ESIF es un centro único puesto que cuenta con 15 laboratorios diferentes que permiten a los científicos probar cómo se integra la red eléctrica con los combustibles y la infraestructura de calefacción, afirma Kroposki. También cuenta con un superordenador en el propio centro para ayudar a la investigación. Se podría diseñar un experimento para ver el grado de efectividad de un nuevo tipo de célula de combustible a la hora de proporcionar electricidad y calefacción a edificios. O, en un ejemplo más futurista, el exceso de energía eólica y solar podrían producir gas sintético a partir de hidrógeno y dióxido de carbono residual. A partir de ahí, las compañías eléctricas utilizarían la infraestructura de gas natural para almacenar esa energía, afirma.
Las herramientas de simulación están diseñadas para acelerar la adopción de tecnologías de energía. La compañías eléctricas se resisten a implementar productos no probados en sus redes, un problema de negocio de larga duración para las start-ups de redes inteligentes dirigidas a los clientes de las eléctricas. El ESIF puede crear un modelo detallado de la red específica de una compañía eléctrica y luego probar el rendimiento de productos de hardware reales con esos datos.
Por ejemplo, la compañía eléctrica municipal de Sacramento, Califo ia (EE.UU.), cuenta con una división de vivienda en la que la mayoría de las casas tienen paneles solares en los techos. Tiene unidades de almacenamiento distribuidas para compensar las caídas de tensión cuando las nubes pasan por encima. Mediante el uso de un modelo computacional detallado de ese circuito, los ingenieros del ESIF pueden probar si la cuestión podría abordarse con inversores solares menos caras. "Puedes resolver una gran cantidad de problemas sin tener que construir una réplica a gran escala e integrarla con un sistema real", señala Kroposki.
El superordenador del ESIF realizará análisis complejos, como por ejemplo la simulación de la colocación de turbinas de viento en miles de localizaciones, así como visualizaciones avanzadas. La instalación cuenta con una pantalla envolvente con la que un científico puede estar de pie dentro de una imagen en tres dimensiones, y por ejemplo examinar los enlaces químicos en nuevos materiales fotovoltaicos o cambiar el paso de una serie de turbinas de viento para optimizar la captación de energía. "Ser capaz de moverse e interactuar con tus datos te permite obtener conocimientos que quizá no puedas ver en una pantalla plana o un gráfico simple", señala Steven Hammond, director del centro de ciencias informáticas en el NREL.
La transición a un sistema eléctrico nacional impulsado principalmente por fuentes renovables probablemente tardará décadas y supondrá grandes cambios en la regulación de las compañías eléctricas. A más corto plazo, una instalación como el ESIF puede probar productos de red distribuidos en redes locales o regionales. Por ejemplo, podría probar el impacto de un gran número de vehículos eléctricos y paneles solares en techos en un vecindario.
El primer usuario del laboratorio, Advanced Energy, con sede en Colorado, comenzó a probar su inversor solar a escala comercial allí en junio, y el Departamento de Defensa de EE.UU. también tiene planes para poner a prueba sistemas de reducción de combustible.