Hacia el futuro: La Red Eléctrica del Siglo XXI

Por el Ing. Ramón E. De Jesús G.
Egresado de Ingeniería Electromecánica (PUCMM), con una especialización en Energías Renovables y Mercados Energéticos en la Escuela de Organización Industrial (EOI), Madrid. En la actualidad es profesor de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Mecánica (PUCMM) y Cofundador de Energía Journal.

Una (muy) breve historia de la Red Eléctrica

Hace mucho tiempo, antes de los cables de cobre y la corriente alterna, bueno, a mediados del siglo XIX para ser exactos, la electricidad era algo interesante pero sobre todo inútil. Eso cambiaría repentinamente cuando, a fines del mismo siglo, unas mentes brillantes comenzaron a imaginar las primeras bombillas y generadores. En un abrir y cerrar de ojos, la electricidad se volvió barata y constantemente disponible, se convirtió en un servicio público, uno muy valioso. Tal es su importancia que hemos construido nuestra sociedad en torno a su uso, integrándola en cada capa de nuestro aparato económico. Somos efectivamente criaturas de la Red, y el Sol, que alguna vez fue el Dios que gobernaba nuestras vidas, ahora observa desde arriba cómo la humanidad doma la oscuridad. La red se ha convertido en un ser viviente, y los humanos utilizamos la energía que fluye por sus 25 millones de kilómetros de venas de transmisión y distribución, a un ritmo actual de 20.863 TWh/año, sin apenas interrupciones, en todos los continentes.

La arquitectura de la red eléctrica actual es un testimonio del esfuerzo y el ingenio humano, el producto de innumerables avances tecnológicos, decisiones de diseño y políticas públicas a lo largo de todo un siglo. En última instancia, esto resultó en un proceso lleno de complejidades que van desde desafíos tecnológicos y destrucción ambiental, hasta inestabilidad política y problemas de seguridad nacional.

En 150 años, hemos encontrado formas de extraer un líquido negruzco fosilizado que se encuentra debajo de la superficie de la tierra, invirtiendo una gran cantidad de capital y energía, para transformar dicho líquido en combustible, para luego transportarlo a grandes distancias usando una cantidad cada vez mayor de tuberías, y quemarlo en gigantes, y a menudo ineficientes, plantas de generación que convierten sus moléculas en electrones. Después, transportamos esos electrones a través de las mismas largas distancias a través de una telaraña de cables de cobre a millones de usuarios finales, que los consumen sin darse cuenta de la magia de la vida real que sucede detrás de dicho sistema, y el complejo conjunto de principios, reglas y niveles de autoridad que regula y administra sus complejos mecanismos.

Principios fundamentales para la red del Siglo XXI

La electricidad está tan entrelazada en nuestro mundo que a menudo se la describe como «La columna vertebral de la sociedad moderna«. Es clave para el avance tecnológico y la infraestructura subyacente de una amplia gama de productos y servicios que son la base de nuestro día a día y el motor de nuestra productividad económica. Sin embargo, el hecho de que la electricidad pueda ser entregada a un costo razonable al 89% de toda la población humana a través de una arquitectura centenaria es sólo una característica maravillosa de la ingeniería, combinada con políticas sociales complejas, que promovieron un suministro confiable para todos los ciudadanos. Ahora, al borde de la catástrofe climática, el grado en que podemos seguir proporcionando un bien tan valioso, y cómo logramos hacerlo, tiene que cambiar. El modelo heredado del siglo XX de un despacho centralizado de arriba hacia abajo de la red eléctrica se está replanteando. Una confluencia de avances tecnológicos y mayor potencia computacional (aprendizaje automático o “Machine Learning”), el surgimiento de recursos energéticos distribuidos rentables (generación solar, almacenamiento de energía, cargas flexibles), una explosión de nuevas soluciones de tecnología de la información (IT) y tecnologías sofisticadas de software y hardware (desde Sensores IoT a dispositivos inteligentes y Blockchain), están haciendo posible repensar por completo la forma en que debería operar la red del siglo XXI y, por lo tanto, evolucionar hacia una nueva Red Transactiva, cuyos principios básicos son: La Descarbonización, la Descentralización y la Digitalización.

Las 3D de la Red Transactiva: Descarbonización, Descentralización y Digitalización

Podemos verlo. El Cambio Climático está aquí. El reciente Informe Especial del IPCC ha dejado claros los caminos necesarios para hacer frente a los efectos del calentamiento global. Ahora, considerando que alrededor de dos tercios de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) provienen del sector energético, está claro dónde es más necesaria la acción. Sin embargo, hay buenas noticias, la industria ya está cambiando. Las presiones sociales, políticas y económicas, como los precios récord de la energía solar en la última subasta de Brasil, están poniendo al sector en el centro de atención. Si se observan los números, los costos de las Energías Renovables (ER) han disminuido hasta el punto de que ahora están al mismo nivel o por debajo del costo marginal de la generación convencional. Se espera que esta tendencia continúe impulsada por tres factores: Las 3D de la red transactiva: Descarbonización, Descentralización y Digitalización.

Para que la red energética evolucione a esta Red Transactiva, debe enfrentar una gran cantidad de desafíos tecnológicos, y encontrar formas de usar y aplicar las últimas herramientas disponibles para resolverlos:

• Mi(ni)crogrids para mejorar la resiliencia y la confiabilidad.
• Blockchain para rastrear y compartir datos en un entorno confiable.
• Sensores integrados en el Internet de las cosas (IoT) para digitalizar transacciones entre dispositivos.
• Algoritmos de Aprendizaje de Máquina (Machine Learning) para automatizar, optimizar y mejorar la red.

Descarbonización: Una Huella Más Verde

El Acuerdo de París sobre el Cambio Climático incluía el compromiso de alcanzar la neutralidad en las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) entre 2050 y 2100. A medida que la electricidad baja en carbono se convierte en el principal vector energético, se espera que la energía producida por fuentes renovables pueda proporcionar algo menos del 60% del total del uso energético final, dos veces y media su contribución al consumo total de energía renovable en la actualidad.

Pero cómo llegamos allí es la verdadera pregunta. Lograr un sector energético que cumpla con los objetivos climáticos y de desarrollo global requiere nuevos modelos de negocios, innovación rápida e inversión en tecnologías que se encuentran en muchos sectores de la economía. Es en este nexo donde investigadores, innovadores y emprendedores están avanzando en las tecnologías y soluciones de mercado que hacen posible este objetivo.

Empresas como WePower, MyBit e ImpactPPA están desarrollando plataformas para financiar proyectos de energía renovable a través de la venta y comercialización de energía producida por estos sistemas a través de token(s) y otros mecanismos similares. A medida que la necesidad de descarbonización continúa creciendo, seguirá el crecimiento de tales iniciativas, lo que con suerte conducirá a un ciclo de descarbonización.

Descentralización – Hacia la Red Recursiva.

El aumento constante de los recursos energéticos distribuidos (DER, por sus siglas en inglés) está creando nuevos desafíos para nuestro modelo heredado del siglo XX de redes eléctricas centralizadas y verticalmente integradas. Por lo general, los DER no son despachables, es decir, los operadores de la red no pueden acceder a ellos a pedido, y  no tienen visibilidad de lo que sucede con esos sistemas en el borde de la red.

Este modelo se está repensando actualmente. Con el objetivo de coordinar el creciente número de pequeños productores de energía y cargas flexibles, dentro de una red abierta y descentralizada, actores clave del sector como Grid Singularity en Alemania están liderando el desarrollo de los futuros modelos de mercado transactivo, habilitados por agentes de software inteligentes que realizan funciones de comunicación y control de red para todos los activos físicos nuevos.

Según Grid Singularity, los componentes básicos de dichos mercados se basan en las suposiciones de que la red del futuro será:

• Totalmente descentralizada, tanto en términos de infraestructura física como de gestión operativa.
• Recursiva: donde cada componente y cada límite en la red (por ejemplo, dispositivos, edificios, calles, vecindarios, redes de distribución) es un ecosistema autónomo, por lo que tiene capacidades operativas para la toma de decisiones.
• Transparente: definida por la transparencia total de las condiciones del mercado, incluido el estado físico de la red, las condiciones externas, así como el comportamiento de los participantes del mercado, todo mientras se protege la información confidencial.

Digitalización: El Poder de los Datos

La digitalización de los recursos energéticos distribuidos (DER), junto con el despliegue de la medición inteligente y una explosión de sensores IoT rentables, significa que hay una cantidad creciente de datos sobre cómo se crea la electricidad. Los datos se están convirtiendo en un activo y una moneda en sí mismos. La gran cantidad de información sobre la fuente de generación y la ubicación, el estado de la conexión a la red, el voltaje, la frecuencia, etc., generada por los miles de dispositivos, se recopilará y utilizará para mejorar el rendimiento de la red y crear nuevos modelos comerciales en los que estos datos son la moneda.

Sabiendo que el modelo de control de red centralizado no está diseñado para manejar toda la información generada por la actividad relacionada con los DER en la red, Energy Web Foundation (una organización global sin fines de lucro enfocada en acelerar la tecnología blockchain en todo el sector energético) está creando una red pública, descentralizada y de código abierto, capaz de gestionar de forma segura las transacciones, los clientes y los dispositivos de la red eléctrica en lo que promete ser el «ADN Digital de la Red». Estas redes permitirán a los usuarios, y en última instancia, a los dispositivos, comprar y vender energía entre pares (del inglés peer-to-peer (P2P)), proporcionando no solo una mayor seguridad sino también una mayor confianza. 

La digitalización en la red es el primer paso hacia una economía transaccional de dispostivo a dispositvo, en la que cualquier aparato inteligente equipado con almacenamiento de energía puede interactuar con la red, comprando y vendiendo electricidad, motivado por las condiciones del usuario o del mercado, para obtener una ganancia. Una vez que se tiene dicha infraestructura en su lugar, surge el concepto de una «Central Eléctrica Virtual (VPP)», una red de unidades generadoras de energía descentralizadas a mediana escala, como parques eólicos, parques solares y unidades combinadas de calor y energía, así como consumidores de energía flexibles y sistemas de almacenamiento. Los recursos energéticos distribuidos se convertirán en “Gemelos Digitales” o representaciones de los activos físicos en estas Plantas Virtuales, permitiendo su agregación para mejorar el rendimiento de la red a través de servicios como balanceo, regulación de frecuencia, energía de respaldo, alivio de congestión, etc. Las microrredes (redes eléctricas distribuidas (o descentralizadas) compuestas por pequeñas y diversas fuentes de energía que operan en paralelo o de forma autónoma con respecto a la red principal) construidas dentro de estas Plantas Virtuales no serán la excepción, sino la norma.

Una Solución Integral – Mi(ni)crorredes

Debido al aumento de eventos climáticos extremos, la mejora de la resiliencia de las redes eléctricas ha estado en el foco de los investigadores e ingenieros gubernamentales, de la industria y de todo los extractos del sector energético. Hoy, la red eléctrica existente puede asegurar la fiabilidad del servicio en condiciones normales y contingencias anormales pero previsibles y de bajo impacto. Sin embargo, la continuidad del servicio durante eventos inesperados y de alto impacto sigue siendo un gran desafío. Esta es la razón por la cual se sabe que los sistemas de energía son fiables pero no resilientes.

La resiliencia de un sistema se define como su capacidad para volver al equilibrio (punto de operación estable) después de un evento de interrupción importante. Las microrredes y las minirredes han surgido como herramientas para hacer frente a los principales eventos de interrupción del suministro eléctrico debido al potencial de recuperación rápida y eficaz, la capacidad de sostener la creciente penetración de las fuentes de energía renovables (RES) y atender cargas críticas (hospitales, plantas de tratamiento de agua, instalaciones militares, etc), que los convierten en parte importante de la evolución hacia la Red Transactiva: Descentralizada, Descarbonizada y  Digitalizada. El Equipo de Investigación de Microrredes de la PUCMM tiene un programa en curso con dos líneas de investigación, cada una de las cuales investiga el impacto de las microrredes en el aumento de la resiliencia de las redes de distribución de energía frente a eventos climáticos y las tecnologías de punta (Hardware-in-the-Loop (HIL)), herramientas (RT-LAB, Matlab&Simulink, OpendSS, QGIS) y técnicas (Formación dinámica de microrredes, detección de fallas, estrategias de control multiagente) que serán necesarias en un futuro próximo para su implementación.

La retrocausalidad predice que el futuro puede influir en el pasado tanto como el pasado puede influir en el futuro: que la causalidad puede retroceder en el tiempo a la vez que avanza. Entonces, si realmente creemos en nuestra capacidad innata para enfrentar y superar desafíos, y en los efectos transformadores de la tecnología para ayudarnos a llegar allí, ¿Podemos atrevernos a soñar con un futuro en el que la sostenibilidad sea una parte central de nuestra sociedad? ¿Eso lo hace real? Si no, hagámoslo así.