Tres enfoques para estabilizar la red
En todo el mundo se están conectando fuentes de energía alternativas a las redes eléctricas para mejorar la sostenibilidad y reducir el impacto ambiental. Sin embargo, la proliferación de fuentes de energía puede hacer más compleja la gestión de la red. Este artículo examina rápidamente algunos enfoques de respuesta y muestra cómo pueden aportar valor los bancos de carga.
Dolores crecientes
Las redes eléctricas suelen conectar varias centrales eléctricas con los clientes en una amplia zona. Para garantizar un funcionamiento seguro y adecuado, la tensión, la frecuencia y otras características eléctricas de la red deben mantenerse dentro de unos márgenes específicos. Si estos parámetros se salen de los márgenes, la red puede volverse inestable y producir efectos que afecten o dañen los equipos de la red eléctrica. Uno de los efectos ... cuando la cantidad de energía en la red supera la demanda, su tensión de funcionamiento puede aumentar, creando un efecto de potencia inversa que puede dañar los equipos de generación de energía en las centrales eléctricas de servicios públicos.
Se podría llegar a la conclusión de que las empresas eléctricas deberían reducir su producción de energía estrangulando o cerrando las centrales. Pueden hacerlo... hasta cierto punto. Sin embargo, los aparatos generadores de las centrales eléctricas, que suelen incluir grandes calderas de vapor y turbinas de vapor complejas y sensibles, no pueden funcionar correctamente sin producir una cantidad mínima de energía. Además, una empresa eléctrica podría tener que hacer frente a elevados gastos y pérdidas de explotación si sus aparatos generadores no se cargan según lo previsto. Por estas y otras razones, las empresas de servicios públicos necesitan mantener unos niveles básicos de producción de energía.
Posibles soluciones
Existen varias soluciones para gestionar el exceso de energía que, de otro modo, desestabilizaría una red eléctrica. En las secciones siguientes se examinan brevemente tres enfoques.
1. Almacenar la energía sobrante para utilizarla cuando aumente la demanda
Baterías de almacenamiento
Se pueden utilizar varios medios para almacenar el exceso de energía para su consumo cuando la demanda supere a la oferta. Uno de ellos es el uso de baterías de almacenamiento, que se cargan cuando hay exceso de energía disponible y se descargan cuando aumenta la demanda. Si se hace a escala, se puede aplicar una carga suficiente para evitar una situación de potencia inversa y satisfacer los picos de demanda. Quizá el ejemplo más famoso de solución de almacenamiento con baterías sea la Reserva de Energía de Hornsdale, cerca de Adelaida, en el sur de Australia, que utiliza tecnología y equipos desarrollados por Tesla.
Este enfoque tiene sus limitaciones. Una de ellas es que las baterías tienen una capacidad finita para almacenar energía. Esto se pone de manifiesto cuando la zona a la que da servicio la red experimenta una racha prolongada de tiempo soleado y templado. Cuando las baterías alcanzan su capacidad, ya no pueden absorber el exceso de energía. Sin otro medio para absorber o consumir esta energía, las baterías podrían dejar de estabilizar la red una vez cargadas por completo.
Además, los defectos de diseño o fabricación podrían dar lugar a situaciones como el desbordamiento térmico, en el que las baterías se calientan lo suficiente como para provocar un incendio o daños térmicos. En febrero de 2018, la Comisión para la Seguridad de los Productos de Consumo de Estados Unidos informó de más de 25.000 incidentes de sobrecalentamiento o incendio en más de 400 tipos de dispositivos de consumo alimentados por baterías de litio en cinco años. 1Másrecientemente, las baterías de iones de litio que alimentan automóviles pueden haber desempeñado un papel en un incendio que provocó el hundimiento de un buque de carga. 2
Almacenamiento de energía hidráulica
Otro medio de almacenamiento de energía es la generación hidroeléctrica. Se puede crear un embalse para almacenar agua por encima de otro curso de agua construyendo una presa hidroeléctrica. Durante los periodos de exceso de potencia, la energía eléctrica se utiliza para bombear el agua desde el curso de agua hasta el embalse. Cuando aumenta la demanda de energía, el agua almacenada se libera del embalse a través del equipo de generación de su presa para crear energía. La central de Yards Creek, en Nueva Jersey (EE UU), es un ejemplo. El agua se bombea diariamente desde el río Delaware a dos embalses cuando la demanda de energía es baja, y se devuelve al río cuando la demanda es alta. Los embalses cubren más de 182 hectáreas, almacenan más de 13 millones de metros cúbicos de agua y pueden proporcionar hasta 420 megavatios deenergía3.
A pesar de todas sus ventajas, los proyectos de almacenamiento de energía presentan múltiples características que deben tenerse en cuenta. Entre ellas figuran:
Espacio necesario: Almacenar energía a gran escala requiere mucho espacio. Para un proyecto de almacenamiento en baterías, la huella del equipo puede ser grande; para un embalse, mucho mayor aún. En consecuencia, estas instalaciones funcionan mejor fuera de las zonas urbanas, donde es menos probable que haya espacio disponible y es más probable que las comunidades circundantes se vean afectadas por posibles impactos.
Capacidad finita para absorber carga: Cuando las baterías están completamente cargadas o un depósito lleno, la solución ya no puede utilizarse para estabilizar la red cuando hay un exceso de energía disponible. Del mismo modo, una solución de almacenamiento de energía completamente llena no puede distribuir energía hasta que vuelva a haber suficiente demanda.
Impactos medioambientales: El ciclo de vida de las soluciones de almacenamiento de energía repercute en el medio ambiente, aunque de distintas maneras. En el caso de las baterías, las preocupaciones medioambientales comienzan con la extracción de minerales, se extienden a través de la fabricación, y luego a la eliminación de las sustancias tóxicas utilizadas para su construcción. En el caso de la energía hidroeléctrica, la construcción de una presa y un embalse consume una gran superficie de terreno que, de otro modo, podría tener valor ecológico, agrícola o económico.
Consideraciones de seguridad: Las baterías sobrecargadas pueden plantear problemas de seguridad. Acontecimientos como los incendios en aparatos electrónicos de consumo y en las propias instalaciones de almacenamiento de baterías de Tesla muestran los posibles resultados de los problemas en los sistemas de almacenamiento de baterías a pequeña y gran escala. Las presas utilizadas para crear embalses suelen proporcionar un servicio fiable, pero deben diseñarse, construirse, inspeccionarse y mantenerse adecuadamente para evitar riesgos indebidos a las comunidades aguas abajo. Independientemente de la tecnología, el almacenamiento de grandes cantidades de energía en un mismo lugar requiere precauciones para evitar sucesos que puedan afectar a la salud humana, la seguridad o el medio ambiente.
2. Convertir elexceso de energía en combustible
El exceso de electricidad puede alimentar la electrólisis del agua, un proceso relativamente sencillo que produce gases de hidrógeno y oxígeno. Ya existen usos industriales para estas sustancias, y el hidrógeno puede utilizarse como reserva de combustible. El oxígeno también se utiliza en sanidad. El hidrógeno, un combustible de combustión más limpia, podría desempeñar un papel importante en las futuras estrategias energéticas y se ha sugerido como combustible de sustitución para vehículos de motor y otras aplicaciones que actualmente dependen del petróleo.
La conversión del exceso de energía en hidrógeno plantea algunos problemas:
- Las instalaciones de producción y almacenamiento de hidrógeno requieren un espacio adecuado. Es posible que las empresas de servicios públicos no puedan ubicar estas instalaciones donde haya exceso de energía, lo que exigiría la construcción de infraestructuras de transmisión hasta los lugares de producción.
- El uso del exceso de energía de la red depende del correcto funcionamiento de cualquier proceso o instalación de fabricación de hidrógeno. Si se interrumpe la producción de hidrógeno, la instalación no podrá utilizarse para estabilizar la red cuando sea necesario.
- La fabricación de productos químicos está fuera del alcance de los intereses comerciales y las competencias básicas de la mayoría de los productores de electricidad. Recurrir a terceros para utilizar el exceso de energía para producir hidrógeno podría introducir riesgos empresariales.
- El hidrógeno y el oxígeno son gases explosivos que suelen almacenarse a presión, por lo que presentan riesgos de seguridad que deben gestionarse.
- Más allá de los usos actuales, no existe ninguna infraestructura para una "economía del hidrógeno" emergente. Sin infraestructuras adicionales, es posible que no haya demanda para todo el hidrógeno que podría producirse.
- Puede que no resulte práctico ubicar la producción de hidrógeno cerca de los lugares en los que se dispone de exceso de energía, sobre todo en zonas densamente desarrolladas.
- Al igual que las soluciones de almacenamiento de energía mencionadas anteriormente, la producción de hidrógeno no puede utilizarse para estabilizar una red después de que las instalaciones de almacenamiento se llenen al máximo de su capacidad.
3. Absorción y disipación del exceso de energía mediante bancos de carga
Los bancos de carga son dispositivos eléctricos que convierten la energía en calor, que posteriormente se disipa en el entorno. Fáciles de instalar y manejar, no dependen de la conversión química de la energía como las baterías de almacenamiento y la producción de hidrógeno.
La industria eléctrica ya dispone de bancos de carga adecuados que ocupan poco espacio y ofrecen costes de capital y funcionamiento favorables. Además, pueden funcionar independientemente de las condiciones meteorológicas y, como nunca están "llenos", pueden proporcionar cargas estabilizadoras indefinidamente. Pueden utilizarse prácticamente en cualquier lugar donde se disponga de un exceso de energía.
A diferencia de las demás soluciones examinadas, los bancos de carga disipan el exceso de energía. Mientras que las otras soluciones utilizan parte del exceso de energía para convertirla de una forma a otra, los bancos de carga absorben todo el exceso. En este sentido, la eficiencia de las redes que utilizan bancos de carga podría ser menor que la de las redes estabilizadas por otros medios. No obstante, si se compara esta ineficacia con las consecuencias de una red eléctrica inestable o dañada, los bancos de carga pueden resultar una opción atractiva.
Resumen
La proliferación de fuentes de energía alternativas ofrece ventajas de sostenibilidad, pero puede dificultar el funcionamiento de una red eléctrica fiable. Cuando las nuevas fuentes provocan un exceso de energía, se necesitan soluciones para garantizar el funcionamiento correcto y fiable de la red eléctrica. El almacenamiento de energía en baterías y depósitos de agua puede ayudar a estabilizar las redes al absorber energía cuando hay un exceso de suministro y devolverla a la red cuando la demanda es mayor. Del mismo modo, la energía puede utilizarse para fabricar combustible para su uso posterior. Este tipo de soluciones requieren espacio, plantean problemas de seguridad y logística y ofrecen capacidades finitas de almacenamiento de energía. En cambio, los bancos de carga ofrecen una solución de estabilización compacta y fiable para gestionar el exceso de energía y ya están disponibles para hacerlo.
1Comisiónde Seguridad de los Productos de Consumo de los Estados Unidos. Informe de situación sobre el proyecto de baterías de alta densidad energética. 12 de febrero de 2018. p.4. https://www.cpsc.gov/s3fs-public/High_Energy_Density_Batteries_Status_Report_2_12_18.pdf?UksG80UJqGY0q4pfVBkbCuUQ5sNHqtwO, consultado el 11 de marzo de 2020.
2QuartzMedia, Inc. Las baterías de iones de litio avivan el fuego en un carguero en llamas lleno de Porsches. Aurora Almendral. 21 de febrero de 2022. https://qz.com/2130711/electric-vehicles-make-it-harder-to-quell-fire-on-felicity-ace-cargo-ship/, consultado el 14 de marzo de 2020.
3Asociación Nacionalde Comisarios Reguladores de Servicios Públicos. Nexo entre agua y electricidad: Una visita a la central hidroeléctrica de bombeo de Yards Creek. Uprenda Chivukula. Sin fecha. https://www.naruc.org/bulletin/the-bulletin-03-08-2018/nexus-between-water-and-electricity/, consultado el 11 de marzo de 2020.
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