14.6: Red Eléctrica y Desafíos de Sustentabilidad
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Durante el último siglo y medio la electricidad ha surgido como un portador de energía popular y versátil. Hoy en día, la electricidad se explota no sólo por sus diversos usos finales como la iluminación, el movimiento, la refrigeración, la comunicación y la computación, sino también como portador primario de energía. La electricidad es una de las dos estructuras principales del sistema energético moderno (los combustibles líquidos para el transporte son la otra), transportando energía de alta densidad a distancias cortas y largas para diversos usos. En 2009, la electricidad consumió la mayor parte de la energía primaria de Estados Unidos, 38 por ciento, con el transporte en un segundo lugar cercano con 37 por ciento. Estos dos sectores también representaron las mayores acciones de emisiones de carbono de Estados Unidos, 38 por ciento para la electricidad y 33 por ciento para el transporte.
Con mucho, la mayor parte de la electricidad es generada por la combustión de combustibles fósiles para convertir turbinas de vapor o gas. Este es el paso menos eficiente en la cadena energética, convirtiendo solo el 36 por ciento de la energía química en el combustible en energía eléctrica, cuando se promedian sobre la mezcla actual de generación de gas y carbón. También produce todas las emisiones de carbono de la cadena eléctrica. Más allá de la producción, la electricidad es un portador notablemente limpio y eficiente. La conversión del movimiento rotativo de la turbina y el generador a electricidad, la entrega de electricidad a través de la red eléctrica y la conversión a movimiento en motores para su uso en la industria, el transporte y la refrigeración pueden ser más del 90 por ciento eficientes. Ninguno de estos pasos produce emisiones de gases de efecto invernadero. Es la versatilidad de posproducción, la limpieza y la eficiencia de la electricidad lo que la convierte en un portador de energía principal para el futuro. La generación de electricidad, basada en carbón y gas domésticos relativamente abundantes, está libre de preocupaciones inmediatas de seguridad de combustible. El advenimiento de los autos eléctricos promete aumentar la demanda de electricidad y reducir la dependencia del petróleo extranjero, mientras que el crecimiento de la generación eólica renovable y solar reduce las emisiones de carbono. Los principales desafíos de sustentabilidad para la electricidad como portador de energía están en el paso de producción: eficiencia y emisión de dióxido de carbono y toxinas.
La Red Eléctrica: Capacidad y Confiabilidad
Más allá de la producción, la electricidad enfrenta desafíos de capacidad, confiabilidad e implementación de almacenamiento y transmisión necesarios para adaptarse a la lejanía y variabilidad de las energías renovables. Los mayores desafíos de capacidad se encuentran en las zonas urbanas, donde vive el 79 por ciento de Estados Unidos y el 50 por ciento de la población mundial. La alta densidad de población de las áreas urbanas requiere una densidad de energía y energía eléctrica correspondientemente alta. En Estados Unidos, 33 por ciento de la energía eléctrica se utiliza en las 22 principales áreas metropolitanas, y se proyecta que la demanda eléctrica crezca 31 por ciento para 2035. Esto crea un “cuello de botella de energía urbana” donde los cables subterráneos se saturan, obstaculizando el crecimiento económico y las eficiencias de escala en el transporte, el uso de energía y la emisión de gases de efecto invernadero que vienen con una alta densidad de población. La saturación de la infraestructura de cables existente requiere la instalación de una nueva capacidad sustancial, una propuesta costosa para excavar nuevos túneles de cable subterráneos.
La confiabilidad de la red eléctrica presenta un segundo desafío. La red de Estados Unidos ha crecido continuamente desde sus orígenes a principios del siglo XX; gran parte de su infraestructura se basa en la tecnología y la filosofía de diseño que data de las décadas de 1950 y 1960, cuando el mayor desafío era extender la electrificación a nuevas áreas rurales y urbanas. Fuera de las zonas urbanas, la red se encuentra principalmente sobre el suelo, exponiéndola a condiciones climáticas y temperaturas extremas que causan la mayoría de los cortes de energía. La respuesta a las interrupciones es frustrantemente lenta y tradicional: las empresas de servicios públicos suelen ser alertadas primero de las interrupciones por quejas telefónicas de los clientes, y la respuesta requiere el envío de equipos para identificar y reparar daños, casi lo mismo que hicimos hace 50 años. La confiabilidad de la red de Estados Unidos es significativamente menor que para las redes más nuevas en Europa y Japón, donde el cliente típico experimenta de diez a 20 veces menos tiempo de interrupción que en Estados Unidos. La confiabilidad es especialmente importante en la era digital, cuando una interrupción de incluso una fracción de un ciclo puede apagar un centro de datos controlado digitalmente o una línea de fabricación, requiriendo horas o días para reiniciar.
Los problemas de confiabilidad se pueden abordar implementando una red inteligente con comunicación bidireccional entre las compañías de servicios públicos y los clientes que monitorea continuamente la entrega de energía, el estado operativo del sistema de suministro e implementa medidas de respuesta a la demanda ajustando la energía entregada a individuos clientes de acuerdo con un protocolo de cliente único previamente establecido. Dicho sistema requiere la instalación de sensores digitales que monitoreen los flujos de energía en el sistema de entrega, tecnología digital de decisión y control y capacidad de comunicación digital como esa ya estándar para la comunicación a través de Internet. Para los clientes con capacidad de generación solar in situ, la red inteligente monitorearía y controlaría la venta de exceso de energía del cliente a la empresa de servicios públicos.
Integración de la Electricidad Renovable en la Red
Acomodar la generación de electricidad renovable por plantas eólicas y solares es uno de los desafíos más urgentes que enfrenta la red. El liderazgo en la promoción de la electricidad renovable ha pasado de los gobiernos federales a los estatales, muchos de los cuales han legislado los Estándares de Portafolio Renovable (RPS) que requieren que el 20 por ciento de la generación eléctrica estatal sea renovable para 2020. 30 estados y el Distrito de Columbia tienen tales requisitos, el más agresivo es California con 33 por ciento de electricidad renovable requerida para 2020 y Nueva York con 30 por ciento para 2015. Para poner en perspectiva este requisito legal, la energía eólica y solar representan ahora alrededor del 1.6 por ciento de la producción de electricidad en Estados Unidos; aproximadamente un factor de diez menos de los requisitos de RPS. (Crabtree & Misewich, 2010).
Variabilidad Renovable
La red se enfrenta a grandes desafíos para adaptarse a la variabilidad de la electricidad eólica y solar. Sin una capacidad de almacenamiento significativa, la red debe equilibrar con precisión la generación con la demanda en tiempo real. En la actualidad, la variabilidad de la demanda controla el proceso de balanceo: la demanda varía tanto como un factor de dos de noche a día a medida que las personas pasan por sus rutinas diarias. Esta variabilidad predecible se acomoda cambiando las fuentes de generación de reservas dentro y fuera en respuesta a las variaciones de la demanda. Con la generación renovable, la variación puede ser de hasta 70 por ciento para la electricidad solar debido a las nubes que pasan y 100 por ciento para el viento debido a días tranquilos, mucho mayores que la variabilidad de la demanda. En el nivel actual de 1.6 por ciento de penetración eólica y solar, la variación relativamente pequeña en la generación se puede acomodar cambiando dentro y fuera de los recursos convencionales para suplir las fluctuaciones eólicas y solares. Al 20 por ciento de penetración que requieren los Estándares de Portafolio Renovables estatales, acomodar la variación en la generación requiere un aumento significativo en la capacidad de reserva convencional. En niveles altos de penetración, cada adición de capacidad eólica o solar requiere una adición casi igual de capacidad convencional para proporcionar generación cuando las energías renovables están en reposo. Esta doble instalación para asegurar la confiabilidad aumenta el costo de la electricidad renovable y reduce su efectividad en la disminución de las emisiones de gases de efecto invernadero.
Una complicación importante de la variación renovable es su imprevisibilidad. A diferencia de la variabilidad de la demanda, que es confiablemente alta por la tarde y baja por la noche, la generación renovable depende del clima y no sigue ningún patrón. Anticipar la variabilidad de la generación eólica y solar impulsada por el clima requiere pronósticos más sofisticados con mayor precisión y mayores niveles de confianza de los que están disponibles ahora. Debido a que los pronósticos actuales a menudo no cumplen con el objetivo de rendimiento real, las reservas convencionales adicionales deben mantenerse listas para cubrir el riesgo de imprecisiones, lo que agrega otro aumento al costo de la electricidad renovable. El almacenamiento de electricidad renovable ofrece una ruta viable para enfrentar el desafío de generación variable.
Cómo transmitir electricidad a largas distancias
El desafío final para acomodar las energías renovables es la transmisión a larga distancia. Aunque la entrega a larga distancia es posible donde se han localizado líneas especiales de transmisión de alto voltaje, la capacidad y el número de tales líneas son limitados. La situación es muy similar al transporte de automóviles antes de que se construyera el sistema de carreteras interestatales en la década de 1950. Era posible conducir de costa a costa, pero el tiempo de conducción era largo e incierto y la ruta indirecta. Para utilizar los recursos eléctricos renovables de manera efectiva, debemos crear una especie de sistema de carreteras interestatales para la electricidad.