Cómo un dispositivo podría ayudar a transformar nuestra red eléctrica.

Desde Colorado hasta Washington, desde Ohio hasta Pennsylvania, las centrales eléctricas de carbón están cerrando. Estados Unidos está en camino de retirar la mitad de su capacidad para generar electricidad a partir del carbón para 2026. Eso es una disminución muy rápida desde el pico del carbón en 2011, y un paso importante en la transición hacia la energía limpia y la lucha contra el cambio climático.

Pero hay un inconveniente sorprendente al retirar las grandes y antiguas centrales eléctricas. Estas plantas ayudan a mantener la estabilidad de la red eléctrica. A medida que más de ellas se desconecten, algo más debe asumir esa tarea.

Una red eléctrica es una compleja red que involucra sistemas que producen energía, como una planta de energía nuclear o una turbina eólica, y sistemas que almacenan y transmiten energía, como baterías y líneas de transmisión. Una red puede dejar de funcionar por cualquier motivo, como la caída de un árbol sobre la línea eléctrica o una ola de calor que abruma la capacidad del sistema. En Estados Unidos, la electricidad fluye a través de la red como un latido cardíaco a una frecuencia estándar de 60 hertzios. Esa frecuencia puede cambiar si la demanda aumenta más allá de la oferta o si algo en el sistema, como un gran generador, se desconecta. Incluso una pequeña interrupción en ese latido de 60 hertzios puede causar efectos en cadena de los que la red lucha por recuperarse.

Las grandes centrales eléctricas están diseñadas para ayudar a que la red sea resistente a estos efectos en cadena. La inercia de sus generadores en movimiento compra tiempo en caso de un apagón inesperado, y ajustan continuamente su producción de energía en función de la frecuencia de la red, manteniendo todo estable. Pero una red eléctrica que incorpora grandes cantidades de energía renovable, como la de las turbinas eólicas y los paneles solares, funciona de manera muy diferente. Se basa en dispositivos conocidos como inversores para convertir la corriente continua, o CC, que produce las instalaciones eólicas y solares en corriente alterna, o CA, para la red. Y los sistemas de energía renovable que involucran inversores no se comportan como lo hacen las plantas de energía tradicionales. "Estamos tratando con un sistema físico completamente diferente", dice Patricia Hidalgo-González, una ingeniera eléctrica de la Universidad de California, San Diego.

Más electricidad de Estados Unidos ahora proviene de fuentes renovables. Es probable que los inversores formadores de red desempeñen un papel importante para llevar la energía de manera segura a la red eléctrica.

Por lo tanto, los investigadores han estado buscando formas de mantener estable la red a medida que se retiren las grandes centrales eléctricas y la energía renovable represente un mayor porcentaje de la generación de electricidad en Estados Unidos. La respuesta puede estar en un tipo especial de inversor, conocido como inversor formador de red. Estos equipos eléctricos, que varían en tamaño desde más pequeños que un microondas hasta tan grandes como un contenedor de envío, están especialmente programados para funcionar en la interfaz entre algo que produce o almacena energía, como turbinas eólicas, paneles solares y baterías, y la red. Crucialmente, son capaces de controlar el flujo de energía renovable hacia la red de manera rápida y receptiva, de manera similar al control de las grandes centrales eléctricas.

Agregando algunos inversores formadores de red en una red eléctrica existente, los ingenieros pueden ayudar a reemplazar las funciones que se pierden cuando las grandes plantas se retiran. Los inversores formadores de red también tienen otras ventajas, como reiniciar automáticamente una red que se ha desconectado. Eso puede hacer que la sociedad sea más resistente a los cortes de energía que vienen con el clima extremo impulsado por el cambio climático, como olas de calor y huracanes (SN: 2/15/20, p. 22).

La cantidad de electricidad de Estados Unidos generada por energía solar y eólica ha aumentado drásticamente en la última década.

Imagina un inversor formador de red como una madre pato con un grupo de patitos siguiéndola, dice Dominic Gross, un ingeniero eléctrico de la Universidad de Wisconsin-Madison. Un inversor formador de red puede inyectar voltaje en una red y luego ajustar su frecuencia según la cantidad de energía que fluye a través del sistema. Otras fuentes de electricidad que fluyen hacia la red, los patitos, pueden luego sincronizarse con ese inversor formador de red, tal como lo hacían con el flujo de electricidad que pulsaba desde las estaciones de energía.

Eso le da a los inversores formadores de red un papel clave en la incorporación de más energía renovable en la red eléctrica. Fabricantes como General Electric, Siemens, Tesla y Hitachi ya fabrican estos dispositivos, y se han utilizado durante décadas en redes eléctricas aisladas, como en pequeñas islas. Actualmente, su uso está creciendo rápidamente en todo el mundo a medida que las grandes compañías eléctricas recurren a los dispositivos para manejar el auge de la energía renovable.

Agregar capacidades de formación de red a los sistemas de energía renovable es un primer paso fácil que puede marcar una diferencia dramática en la construcción de una red sólida para el futuro, dice Julia Matevosyan, ingeniera jefa del Energy Systems Integration Group en Austin, Texas. "Realmente tenemos esta ventana de oportunidad ahora", dice.

Las centrales eléctricas de carbón y gas natural son la columna vertebral de la red eléctrica de Estados Unidos en la actualidad. Las granjas eólicas y solares desempeñan un papel menor y utilizan inversores de seguimiento de red (naranja) para introducir más electricidad intermitente en el sistema. Pero los inversores de formación de red (azul) podrían ayudar a allanar el camino hacia una red futura que dependa principalmente de energía renovable. En la red del futuro, cada hogar podría tener paneles solares y los vehículos eléctricos podrían tener carga bidireccional, lo que les permitiría devolver energía a la red. Si tienes paneles solares en tu casa, probablemente tendrás un inversor en tu garaje. Las compañías de energía utilizan inversores similares en parques eólicos y solares para convertir grandes cantidades de electricidad de corriente continua (CC) en electricidad de corriente alterna (CA) para alimentar la red. Pero la mayoría de ellos son lo que se conoce como inversores de seguimiento de red. Son como los patitos bebé que siguen a su madre: pueden hacer algunas cosas por sí mismos, pero no pueden operar el sistema como lo haría un pato adulto. Sin embargo, un inversor de formación de red puede detectar los cambios en la red y responder en tiempo real para ajustar su frecuencia, lo que inyecta más o menos energía según sea necesario para estabilizar la red. Florian Dörfler, ingeniero eléctrico de ETH Zurich, compara un grupo de inversores de formación de red en una red eléctrica con un grupo de ruedas de bicicleta girando conectadas por una banda elástica. Si una de las ruedas comienza a frenar un poco por alguna razón, la banda elástica transferirá impulso desde las demás y la devolverá a la sincronía con el grupo. Los inversores de formación de red no son algo completamente nuevo; se han utilizado en todo el mundo durante décadas para ciertos fines. En Estados Unidos, se encuentran principalmente en microredes, sistemas eléctricos pequeños que suministran energía a áreas aisladas como islas o instalaciones pequeñas. En la década de 2010, por ejemplo, un grupo de investigadores y profesionales de la industria construyó una microred que incorporaba inversores de formación de red en la Cárcel de Santa Rita en Dublin, California. La microred utilizaba paneles solares en el techo, cinco turbinas eólicas, una célula de combustible y almacenamiento de baterías para crear un sistema de energía autónomo que funcionaba para uso diario pero también podía seguir funcionando de manera independiente a la red eléctrica principal en caso de un corte de energía, algo crucial para mantener la seguridad. Otras microredes que utilizan inversores de formación de red incluyen una base militar en la isla hawaiana de Kauai y la isla caribeña de San Eustaquio. El desafío ahora es escalar desde esos sistemas pequeños autosuficientes hasta redes eléctricas más grandes que incorporan mucha energía renovable. Varios países han comenzado este esfuerzo, añadiendo inversores de formación de red a sus sistemas. Australia es quizás el líder mundial, con tres grandes instalaciones de energía renovable que incorporan inversores de formación de red que recientemente se han puesto en funcionamiento y otras tres instalaciones más en proceso, lo que suma un total de 480 megavatios de potencia. Un par de estas se encuentran en Australia del Sur, donde la energía eólica ha crecido en los últimos años. En diciembre, la Agencia de Energía Renovable de Australia anunció que estaba invirtiendo 176 millones de dólares australianos (aproximadamente 118 millones de dólares) en otros ocho proyectos para producir energía renovable utilizando tecnologías de formación de red. En total, esos ocho proyectos están diseñados para generar 2 gigavatios de potencia, diez veces la capacidad de formación de red del país hasta la fecha y un paso "innovador" en la dirección correcta, según Matevosyan. El Reino Unido también está invirtiendo en cinco nuevos proyectos, incluida una instalación de 300 megavatios en Escocia que se completará en 2024. En contraste, Estados Unidos ha hecho poco a nivel nacional para fomentar la adopción de inversores de formación de red, incluso cuando la producción de energía renovable se ha duplicado aproximadamente en la última década y ahora representa más del 20 por ciento de la generación de electricidad del país. "Estados Unidos probablemente está 10 años atrás de la curva", dice Dörfler. Pero eso puede estar cambiando. El Departamento de Energía de Estados Unidos está financiando un esfuerzo de 25 millones de dólares para trabajar en cómo incorporar más inversores de formación de red en el sistema eléctrico de Estados Unidos. El consorcio, conocido como UNIFI, por "interoperabilidad universal para inversores de formación de red", está en su segundo año de investigación de los cinco previstos. Está liderado por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, junto con la Universidad de Texas en Austin y el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica en Palo Alto, California. Las redes eléctricas están mostrando su antigüedad y son especialmente vulnerables a los efectos en cascada que pueden ocurrir con el clima extremo. Aquí echamos un vistazo a algunos eventos recientes que han llevado a las redes al límite. Febrero de 2021: Una ola de frío intenso en gran parte de Texas paralizó el equipo eléctrico y dejó gran parte de la red del estado fuera de servicio, lo que causó cientos de muertes. Septiembre de 2021: El huracán Ida dejó sin electricidad a más de 1 millón de personas en Louisiana, en parte porque las líneas de transmisión no pudieron resistir la velocidad del viento del huracán.

Mayo 2022Una intensa tormenta de viento en Ontario y Quebec, Canadá, derribó líneas eléctricas y dejó a casi un millón de personas sin electricidad.

Junio 2022Un fallo en una planta eléctrica en el oeste de Texas provocó más fallos en la red eléctrica de Texas, incluyendo la desconexión de 1.7 gigavatios de generación de energía solar.

Enero 2023Un aumento repentino de voltaje desconectó la red nacional de Pakistán, dejando a más de 200 millones de personas sin electricidad.

Junio 2023Una cúpula de calor sobre el norte de México y Texas casi hizo que la demanda de energía en México superara su suministro.

Hasta ahora, UNIFI se ha centrado en cuestiones básicas como la elaboración de pautas sugeridas sobre cómo las empresas deberían construir inversores formadores de redes. Hasta ahora, los fabricantes de todo el mundo han estado fabricando sus propios tipos de inversores formadores de redes sin coordinación alguna. En diciembre, UNIFI lanzó estándares provisionales destinados a servir como primer paso hacia un código nacional de redes que incluye especificaciones técnicas para equipos; se espera una segunda versión actualizada para finales de año.

Recientemente, UNIFI llevó a cabo una serie de pruebas con inversores formadores de redes, adquiridos de diferentes fabricantes, en el laboratorio de Colorado de NREL. Allí los investigadores los están probando en un sistema de energía de 1 megavatio para ver cómo funcionan en una misma red. Un esfuerzo similar de UNIFI está probando el rendimiento de un mayor número de inversores formadores de redes fabricados por dos fabricantes diferentes en un sistema de 20 megavatios en Kauai.

El objetivo es comprobar si los inversores de diferentes fabricantes pueden integrarse sin problemas en una gran red eléctrica y cuánto trabajo de programación será necesario para lograr que funcionen bien juntos. "¿Cómo hacer que millones de estos dispositivos funcionen juntos, de manera colaborativa, en un contexto de sistemas de red a gran escala?", pregunta Gross, quien trabaja con UNIFI. Tales pruebas son solo los primeros pasos para que Estados Unidos se ponga al día con otros países que ya tienen inversores formadores de redes funcionando en sus grandes redes eléctricas.

UNIFI espera aumentar el perfil de los inversores formadores de redes y brindar orientación en lo que actualmente es un paisaje desordenado de diferentes empresas que los fabrican. Pero deberá moverse rápido para marcar la diferencia. "Literalmente estamos hablando de transformar todo el sector eléctrico en unos 15 años", dice Ben Kroposki, director del centro de ingeniería de sistemas de energía de NREL y director organizacional de UNIFI. "Tomó 140, 150 años construir lo que tenemos hoy en día. Y eso es simplemente un cambio monumental en el sector de la energía eléctrica".

Los inversores en un sistema típico de paneles solares para el hogar pueden costar varios miles de dólares, siendo más altos los costos para sistemas a escala industrial. Pero el equipo formador de redes no es necesariamente más caro de producir que el equipo seguidor de redes. Los fabricantes cobran un poco más para cubrir sus costos de investigación y desarrollo, pero la diferencia es mínima en comparación con el beneficio obtenido, dice Matevosyan. Incluso cuando algunos países están incentivando a las compañías de energía a utilizar tecnologías formadoras de redes, ella dice que cualquiera que esté construyendo componentes de red hoy en día debería incorporarlos como parte del proceso. "Tiene sentido que sean formadores de redes", dice. "Se puede preparar para el futuro".

Aunque se adopten los inversores formadores de redes, todavía hay preguntas de investigación por responder. Un desafío es que aún no está claro cuántos inversores en las redes del futuro necesitarán ser formadores de redes. Los cálculos teóricos sugieren que algunas redes funcionarán bien obteniendo entre el 60 y el 70 por ciento de su energía de fuentes renovables utilizando inversores seguidores de redes. Pero otras podrían colapsar incluso con un 20 por ciento y necesitarán tener más inversores formadores de redes en la mezcla, dice Gross.

El número para cualquier red dependerá de factores como la antigüedad, la estabilidad y la geometría de la red. Una red densamente interconectada de instalaciones de producción de energía, como en Europa, podría necesitar un porcentaje mucho menor de inversores formadores de redes que una red distribuida a lo largo de la costa australiana.

La red eléctrica de Estados Unidos en realidad está dividida en tres redes separadas, en las partes oriental y occidental del país y en Texas, todas con diferentes necesidades de inversores. Y algunos operadores de energía podrían optar por desconectar sus plantas de carbón o gas pero mantener algunas instalaciones nucleares o hidroeléctricas grandes, que seguirían manteniendo la sincronía de la red y requerirían menos inversores formadores de redes.

Other research frontiers include figuring out new ways to diagnose and fix problems in the grid. A short circuit in a grid component, for example, can suddenly inject large amounts of current, a surge that traditional power plants can handle automatically by disconnecting the malfunctioning part. Grid-forming inverters cannot tolerate large spikes in current, making it harder to solve these problems in real time. “How to do so efficiently and safely is still a big research question,” says Rodrigo Henriquez-Auba, an electrical engineer in Mountain View, Calif., who works with UNIFI.

Some scientists, including Dörfler, are exploring how a power grid with a lot of grid-forming inverters could provide power in new ways. By taking extra steps to optimize how the inverters work together, researchers can move the system closer to what some describe as a virtual power plant — in which many small-scale renewable energy devices effectively function as a single traditional power plant. That might mean programming inverters to quickly draw power out of a battery and inject it to make the grid more robust to unexpected fluctuations. Machine learning techniques may help, by training inverters on real-world data to fine-tune operations.

Of course, there are many other challenges to building the grid of the future, such as figuring out better ways to store electricity from solar and wind farms, how to build the necessary transmission lines and how to speed up the connection of renewable power facilities to the grid, currently backlogged due to regulatory issues.

Hidalgo-Gonzalez says that the electrical grid of the future needs to be stronger and more resilient for everyone. Today’s U.S. power grid fosters a lot of societal inequities. It tends to be weak and less reliable, for example, in lower-income communities that are more vulnerable to extreme weather than it is in wealthier communities. In 2021, for instance, Hurricane Ida knocked out power to more than 1 million people in Louisiana, with some lower-income communities not getting it back for weeks.

Renewable energy, bolstered by grid-forming inverters, can play a big role in making the grid more resilient and equitable, Hidalgo-Gonzalez says. “We need to go really fast,” she says, “if we want to take climate change seriously.”

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