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Cambio Climático

Cuerda de Salvamento para la Energía Renovable

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Sin una red expandida e inteligente, las energía eólica y solar quedarán estancadas.

  • por David Talbot | traducido por Rubén Oscar Diéguez
  • 23 Diciembre, 2008

Pasas a través de una puerta giratoria a prueba de balas en un edificio que no tiene nada de particular en una parte sombría del ex Berlín Oriental y entras al centro de control del Vattenfall Europe Transmisión, la empresa que controla la red eléctrica del noreste de Alemania. Un monitor que muestra el diagrama de la red ocupa casi toda una pared. Una serie de pantallas más pequeñas muestra el rendimiento en tiempo real de turbinas eólicas regionales, y el rendimiento que se había pronosticado el día anterior. Alemania es el principal usuario de energía eólica en el mundo, con suficientes turbinas como para producir 22.250 megavatios de electricidad. Eso es alrededor de la producción de 22 centrales de carbón; lo suficiente como para cubrir el 6 por ciento de las necesidades de Alemania. Y debido a que el servicio de Vattenfall produce el 41 por ciento de la energía eólica alemana, la sala de control es un campo de prueba para la habilidad de la red para administrar la energía renovable.

Al igual que todas las redes eléctricas, la que administra Vattenfall debe igualar la energía producida con la demanda de hogares, oficinas y fábricas. El desafío está en mantener un abastecimiento estable de energía mientras se incorpora electricidad de una fuente tan errática como el viento. Si hay muy poca energía eólica, los ingenieros de la empresa tal vez deban poner en funcionamiento las centrales eléctricas a base de combustibles fósiles de forma precipitada; lo cual es un proceso ineficiente. Si hay demasiada, podría sobrecargar al sistema, causar apagones o forzar a que cierren centrales.

Sin embargo, los ingenieros disponen de pocas opciones. La red tiene una capacidad limitada para mandar la energía extra a otras regiones, y no tiene capacidad de almacenamiento más que en un puñado de complejos que bombean agua a reservas en lo alto de las colinas para que pase por unas turbinas durante períodos de alta demanda. Así que cada mañana, a medida que inician actividades las oficinas y fábricas, los ingenieros también tienen que utilizar los pronósticos del viento para ayudarles a decidir cuánta electricidad tendrán que producir las centrales convencionales.

Pero esas predicciones distan de ser perfectas. A medida que surgen más turbinas de viento en Alemania, también aumentan las sobrecargas y los cortes causados por cambios inesperados en el nivel de viento. En 2007, los ingenieros de Vattenfall tuvieron que desarmar sus planes un día sí y otro día no para reconfigurar a ojo el abastecimiento de electricidad; a principios de 2008, esos cambios se tuvieron que hacer diariamente. Las centrales de energía tenían que encenderse y apagarse de forma ineficiente, y la empresa tuvo que hacer compras de energía de emergencia a precios caros. Días de mucho viento y poca demanda obligaron a los empleados de Vattenfall a cerrar los parques eólicos repentinamente.

Los problemas de Vattenfall son un anticipo de los desafíos inmensos del futuro a medida que la energía de fuentes renovables, principalmente la eólica y la solar, comienzan a desempeñar un rol más grande en el mundo. Para utilizar esta energía no contaminante, necesitaremos más líneas de transmisión que puedan transportar la energía de una región a otra y conectar a las ciudades faltas de energía con áreas remotas donde es probable que se genere la mayoría de nuestra energía renovable. También necesitaremos controles más inteligentes a través del sistema de distribución. Serían tecnologías que puedan almacenar la electricidad de los parques eólicos en las baterías de los automóviles plug-in, por ejemplo, o encender o apagar a distancia electrodomésticos faltos de energía a medida que el abastecimiento energético suba o baje.

Si no se realizan estas actualizaciones, los proyectos nuevos de energía renovable podrían estancarse porque pondrían una presión inaceptable en los sistemas eléctricos existentes. Según un estudio reciente financiado por la CE, la creciente electricidad derivada de la energía eólica a veces podría causar sobrecargas masivas (complejos nuevos planeados para los mares Báltico y Norte podrían agregar 25.000 megavatios a la red de Alemania para 2030) . En Estados Unidos, la North American Electric Reliability Corporation, una ONG organizada para regular la industria después del apagón masivo de 1965, hizo una advertencia parecida en noviembre: “El sistema ya está operando más al límite que en el pasado. Simplemente carecemos de la capacidad de transmisión disponible para integrar las nuevas fuentes renovables con precisión”, comenta Rick Vergel, el presidente de la organización.

El desafío que encara Estados Unidos es particularmente llamativo. Mientras que Alemania ya obtiene el 14 por ciento de su electricidad de fuentes renovables, Estados Unidos sólo obtiene alrededor del 1 por ciento de su electricidad del viento, del sol y energía geotérmica combinada. Pero más de la mitad de los estados se han fijado metas ambiciosas para aumentar el uso de fuentes renovables, y el presidente electo, Barack Obama, quiere que el 10 por ciento de la electricidad de la nación surja de fuentes renovables para el final de su primer mandato, aumentando al 25 por ciento para 2025. Pero a diferencia de Alemania, que comenzó a planificar líneas de transmisión nuevas y a aprobar leyes nuevas para acelerar su construcción, Estados Unidos no está realizando ningún intento a nivel nacional para modernizar sus sistemas. “No mejorar nuestra red redundará en una carga pesada para el desarrollo de tecnologías renovables nuevas”, dice Vinod Khosla, fundador de Khosla Ventures, una empresa de capital de riesgo en Menlo Park, CA, que invirtió mucho en tecnologías energéticas.

Colapso Total del Tráfico

Cuando la construcción se inició a fines del siglo XIX, la red eléctrica de los Estados Unidos se hizo para hacer llegar la energía más barata a la mayoría de la gente. Durante el siglo pasado, los monopolios regionales y las oficinas gubernamentales construyeron centrales eléctricas, en su mayoría de combustibles fósiles, cerca de los centros urbanos. También construyeron redes de transmisión y distribución diseñadas para servir a los consumidores de electricidad de cada región. Se desarrolló un sistema de retazos, y las conexiones que existen entre las redes locales se hicieron, básicamente, para que sean barreras contra los apagones. Hoy, la red de Estados Unidos comprende 164.000 millas de líneas de transmisión de alto voltaje (esas filas conocidas de torres de acero que transportan la electricidad desde las centrales hasta las subestaciones), y más de 5.000 redes de distribución locales. Pero mientras que su tamaño y complejidad crecieron inmensamente, la estructura básica de la red cambió poco desde que Thomas Edison encendió el sistema de distribución para 59 clientes en la parte sur de Manhattan en 1882. “Si Edison se despertara hoy, y mirase la cuadrícula, diría ‘Así es como la dejé’”, dice Guido Bartels, gerente general del IBM Global Energy and Utilities Industry Group.

Mientras que esta estructura sirvió asombrosamente bien para suministrar energía barata a una población numerosa, no es particularmente apropiada para fuentes fluctuantes de energía como la solar y la eólica. Primero, las líneas de transmisión no están en los lugares correctos. Las praderas con vientos racheados del centro oeste y los desiertos calcinados del sudoeste (áreas que teóricamente podrían proveer a todo el país de energía eólica y solar), están al final de los límites de la cuadrícula, aislados de las arterias anchas que le llevan energía a, digamos, Chicago o Los Ángeles. Segundo, la red carece de capacidad de almacenamiento para administrar la variabilidad (transformar la energía solar, que no genera energía de noche y poca los días nublados, en una fuente consistente de electricidad). Y finalmente, en su mayor parte, la red es un sistema “neutro” de sentido único.

Considera que cuando se corta la luz en tu calle, la empresa de servicios públicos no lo sabrá a menos que uno de tus vecinos levante el teléfono. Ese no es el tipo de sistema que podría monitorizar y administrar el rendimiento de los paneles solares en un techo o las turbinas de viento desperdigadas.

La estructura legislativa de la cuadrícula de Estados Unidos también es anticuada. Mientras que la Comisión Federal Reguladora de Energía de Estados Unidos (FERC) puede aprobar solicitudes de las empresas de servicios públicos referidas a las tarifas de energía y al permiso para líneas de transmisión entre los estados, estados que mantienen en sí, el control de dónde se van a construir las líneas de transmisión principales. En los años 90 muchos estados modificaron su legislación para intentar introducir competencia en el mercado energético. Las empresas de servicios públicos tuvieron que abrir sus líneas de transmisión a otros productores de energía. Uno de los efectos de estos cambios legislativos fue que las empresas tuvieron menos incentivo para invertir en la cuadrícula que en las centrales de energía nuevas, y que nadie era claramente el responsable de expandir la infraestructura de la transmisión. A su vez, la mayor apertura del mercado significó que los productores empezaron a tratar de vender energía a las regiones más lejanas, colocando más carga sobre las conexiones existentes entre redes. El resultado fue una escasez nacional de transmisión.

Estos problemas pueden ser ahora el obstáculo más grande para ampliar el uso de la energía renovable, que por otro lado parece cada vez más viable. Los investigadores del National Renewable Energy Laboratory en Goleen, CO, llegaron a la conclusión de que no hay una razón ni técnica ni económica para que Estados Unidos no pueda obtener el 20 por ciento de su electricidad mediante turbinas eólicas para 2030. Sin embargo, los investigadores calculan que lograr esta meta significaría una inversión de $ 60 mil millones en 12.650 millas de nuevas líneas de transmisión para incorporar parques eólicos a la cuadrícula y que ayuden a equilibrar su producción con la de otras fuentes de electricidad y con la demanda de los consumidores. La infraestructura inadecuada de la red “es de hecho el tema principal en lo referido a expandir la energía eólica”, comenta Steve Speaker, presidente del Electric Power Research Institute (EPRI), el centro de investigación de la industria en Palo Alto, CA. “Ya está empezando a restringir parte del crecimiento de la energía eólica en algunas partes del oeste”.

El Midwest Independent Transmisión System Operator, que administra la cuadrícula en una región que cubre partes de 15 estados desde Pennsylvania a Montana, recibió cientos de solicitudes de conexiones a la red de parte de aspirantes a promotores cuyos proyectos eólicos podrían generar colectivamente 67.000 megavatios de energía. Eso es más de 14 veces la cantidad de energía eólica que la región produce ahora, y mucho más de lo que consumiría por cuenta propia, ya que representaría el 6 por ciento de la totalidad del consumo eléctrico de Estados Unidos. Pero el sistema de transmisión existente no tiene la capacidad para transportar tanta electricidad a otras partes del país que la necesitan. En muchos de los estados de la región, no existe una urgencia particular para que las cosas marchen, ya que cada estado tiene toda la que necesita. Así que la mayoría de los pedidos para unirse a la red simplemente están esperando en la cola, algunos obstaculizados por la falta de estructura y otros por demoras legislativas y burocráticas.

Por ejemplo, Lisa Daniels esperó tres años una conexión a la cuadrícula para un complejo de 9 a 12 turbinas sobre sus tierras en Kenyon, MN, 60 millas al sur de Minneapolis. El complejo sería capaz de producir 18 megavatios de energía. Su ubicación, a sólo una milla y media de una subestación, esta “lista para la excavadora”, comenta Daniels, quien también es directora ejecutiva de una organización sin ánimo de lucro regional que aspira a alentar proyectos de energía eólica locales. Ella dice que “el sistema debería sólo requerir conexión para usarlo, pero no es así”, concluye Daniels.

Las empresas de servicios públicos, sin embargo, son reacias a construir capacidad de transmisiones nuevas hasta que sepan que la producción de energía de parques eólicos y solares lo justifique. A su vez, los inversores en energías renovables son reacios a construir parques eólicos o solares hasta que sepan que pueden comercializar su energía. La mayoría de las veces esperan tener nueva capacidad de transmisión antes de molestarse en hacer propuestas, comenta Suedeen Nelly, un miembro de la comisión de la FERC. Ella dice que “se reduce a la cuestión del huevo y la gallina”.

Más Inteligencia

El laboratorio sin ventanas de GE Global Research en Niskayuna, NY, está lleno de aparatos electrodomésticos y cubiertos de pantallas de pared como las de los centros de control de una cuadrícula eléctrica. En el laboratorio, Juan de Bedout, gerente del Laboratorio de Sistemas de Propulsión y Energía Eléctrica, describe cómo una “red inteligente” podría lograr que las energías renovables sean prácticas. Imagínense, dice, que el viento disminuye en un parque eólico, o que un banco de nubes cubre un complejo fotovoltaico. Sistemas de control de transmisión existentes, como el de Vattenfall, detectarán la caída del suministro y ordenarán aumentos en la producción de energía de otras fuentes, particularmente las centrales de gas natural, que pueden ponerse en funcionamiento rápidamente.

Pero en una cuadrícula inteligente, el controlador puede enviar un mensaje a un sistema de distribución local, solicitando una reducción de la demanda. Instantáneamente, saldría una señal a los medidores en los hogares u oficinas de los clientes que están de acuerdo (a cambio de reducciones en las tarifas), para que la empresa de servicios públicos manipule algunos de sus aparatos para cortar el consumo energético durante caídas graduales del abastecimiento. En pocos segundos se apagarían los termotanques, y los termostatos electrónicos se ajustarían, automáticamente, dos o tres grados. No habría necesidad de hacer funcionar una central de gas natural.

En uno de los proyectos piloto más avanzados para probar un sistema semejante, la empresa de servicios públicos Xcel Energy de Minneapolis, y varios vendedores están invirtiendo $ 100 millones para instalar una infraestructura de cuadrícula inteligente en Boulder, CO. En estos días, hay una plantillla de 115 personas de Xcel trabajando a tiempo completo, instalando medidores eléctricos de doble dirección en 50.000 casas. Los dueños de casa están consiguiendo software que les permite ver y administrar su consumo energético en la Web, y a algunos de sus electrodomésticos se les ponen interruptores para que la empresa de servicios públicos los apague automáticamente durante los períodos de fuerte demanda.

Las tecnologías de redes inteligentes podrían reducir el consumo eléctrico en conjunto en un 6 por ciento y el pico más alto de demanda un 27 por ciento. Las reducciones de la demanda pico, por sí solas, ahorrarían entre $175 mil millones y $ 332 mil millones en 20 años, según el Brattle Group, una consultoría en Cambridge, MA. Reducir la demanda no sólo liberaría la capacidad de transmisión sino que la inversión de capital que se necesitaría para centrales de energía convencionales podría desviarse hacia las renovables. Eso es porque las tecnologías de la red inteligente harían que los complejos pequeños de turbinas eólicas y de paneles fotovoltaicos fueran más prácticos. “Permitirán que una mayor cantidad de renovables se integren a la red y reducirán el coste total efectivo de todo el sistema para dichos renovables”, dice Meter Fox-Penner del Brattle Group.

En Boulder, por ejemplo, Xcel alienta a los consumidores para que instalen paneles solares en sus techos y bancos de baterías en sus sótanos. Es parte de un plan para demostrar cómo el poder variable producido por miles o millones de techos solares podría almacenarse en casas individuales y alimentarlos a la cuadrícula cuando fuera necesario. En los meses recientes, Xcel hasta adquirió algunos automóviles híbridos plug-in y los conectó a la cuadrícula a fin de probar software que pudiera hacer que los automóviles actuaran como dispositivos de almacenamiento de energía.

 Xcel no está solo, tanto startups como empresas grandes están perfeccionando y comercializando elementos para techos solares, dispositivos para almacenamiento de energía en los sótanos, baterías para híbridos plug-in, y software ingenioso para optimizar el uso de la electricidad. Pero del mismo modo que la generación de energía renovable a gran escala depende de mejorar la infraestructura de transmisión, muchos de estos avances son inútiles sin mejores controles en la cuadrícula. No puedes utilizar la batería de un plug-in para almacenar en la red si la red no puede obtener la energía del automóvil inteligentemente.

La buena noticia es que muchas empresas de servicios públicos empezaron a instalar medidores necesarios. Unos que monitorizan inteligentemente el flujo de la energía que entra y sale de la casa. La pregunta es ¿cómo moverse más allá del exceso de proyectos pilotos, instalar tecnologías más inteligentes a través de la red y comenzar a integrar más energía renovable en la infraestructura nueva? “La imagen de la cuadrícula inteligente es bonita, todos tenemos nuestra presentación de Power Point de ella y en colores. Creo que la gente tiene una idea de lo que se trata. Ahora es el momento de que las cosas se hagan”, concluye Don Von Dollen, que administra la investigación de la cuadrícula inteligente en EPRI.

Círculo Vicioso

El verano pasado, el ex vicepresidente Al Gore comenzó a sostener que el país necesitaba implementar un sistema eléctrico totalmente libre de carbono dentro de una década a fin de impedir el calentamiento global. Como parte de su visión, Gore pidió una “red nacional inteligente y unificada” que llevaría la energía generada en recursos renovables hasta las ciudades, aumentaría la eficacia del uso de la electricidad, y permitiría un mayor control sobre los recursos renovables. Calculó que el coste total de la revisión general de la red costaría alrededor de $ 400 mil millones distribuidos en 10 años.

El plan de Gore no dice específicamente cómo se ejecutaría un proyecto tan masivo. “Si es más rápido obtener legislación completa que haga que los estados trabajen juntos y que ingrese capital privado, fantástico. Si es más rápido y fácil asignar fondos nacionales para realizar esto como un proyecto de obras públicas, eso está bien también”, comenta Cathy Zoi, jefa ejecutiva de Alliance for Climate Protection, la asociación sin fines lucrativos que fundó Gore en Menlo Park, CA, para presionar para que se hiciera algo urgentemente respecto al cambio climático.

El plan de Gore no dice específicamente cómo se ejecutaría un proyecto tan masivo. “Si es más rápido obtener legislación completa que haga que los estados trabajen juntos y que ingrese capital privado, fantástico. Si es más rápido y fácil asignar fondos nacionales para realizar esto como un proyecto de obras públicas, eso está bien también”, comenta Cathy Zoi, jefa ejecutiva de Alliance for Climate Protection, la asociación sin fines lucrativos que fundó Gore en Menlo Park, CA, para presionar para que se hiciera algo urgentemente respecto al cambio climático.

En este momento, por supuesto, no se ha adoptado ninguna de las estrategias. Si bien los proyectos piloto como el de Boulder valen la pena (como modo para demostrar tecnologías nuevas), fueron implementadas de un modo torpe, con distintas empresas de servicios públicos utilizando distintas tecnologías en distintos estados. Los proyectos de transmisión están adelantando en forma gradual, pero a menudo se complican por conflictos entre los estados. “Lo que tenemos ahora es este entramado de parches de reglas y leyes que varían según cada estado. Todos estamos afianzados a este sistema desmoronado y no hay acuerdos respecto a cómo arreglarlo. Es un círculo vicioso”, comenta Peter Corsell jefe ejecutivo de GridPoint, una startup de Arlington, VA, que produce software para la red inteligente y que participa en el proyecto de Boulder.

Algunos creen que la respuesta es darle más autoridad a FERC. Actualmente, la agencia puede anular las decisiones de los estados respecto a la ubicación de las líneas de transmisión, pero sólo en aquellas regiones que el Departamento de Energía haya designado como críticas para la seguridad del suministro de electricidad. Hasta ahora, sólo se designaron dos corredores así: uno en los estados centrales de la Costa Atlántica y el otro en el sudoeste. Los retrasos siguen existiendo en esas regiones. Southern California Edison propuso una línea de transmisión principal en el corredor del sudoeste que vaya desde Los Ángeles hasta cerca de Phoenix, AZ. Podría manejar energía generada en el futuro por centrales de energía solar-termal y fotovoltaica. Pero Arizona rechazó la idea, así que la empresa de servicios públicos está pensado en llevar sus planes a la FERC.

Otros piensan que la solución es una política nacional nueva que hiciera que comercializar la energía renovable fuera más lucrativo, tal vez regulando las emisiones de dióxido de carbono como lo haría la política de cambio propuesta por Obama. Según dicha política, la energía eólica y otras fuentes de electricidad libres de carbono serían mucho más valiosas, y serían un incentivo para que las empresas de servicios públicos expandieran su capacidad para administrarlas (ver “Q&A” p. 28). “Todo podría cambiar muy rápidamente. Si existiera un política sobre el carbono, o un estándar de energía renovable a nivel nacional, entonces la escala de generación de energía eólica explotaría”, concluye Will Kaul, vicepresidente de transmisión en Great River Energy en Minnesota, quien lidera un proyecto de planificación de transmisión conjunta que incluye 11 empresas de servicios públicos en el centro-oeste.

Como testificarían los ingenieros de Vattenfall, al igual que lo que advierten Gore y otros expertos ambientalistas, una explosión del uso de renovables dependerá principalmente de mejorar la red. Eso no será barato, pero la recompensa tal vez valga la pena. “Debemos encarar esto del mismo modo en que pensamos en el rol del sistema de autopistas nacionales. Es la clave que nos posibilitará modernizar todo nuestro sistema de producción eléctrica. Y los renovables son beneficiosos y particularmente importantes. No existen razones tecnológicas para que no nos movilicemos con esto más fuertemente”, explica Ernest Moniz, profesor de física en MIT que lidera la iniciativa del instituto sobre investigación de la energía.

David Talbot es el corresponsal jefe de Technology Review

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