La pieza de infraestructura energética más crítica de Estados Unidos, la red, es más vulnerable que nunca. Las razones son dos:un cambio en la combinación de fuentes de energía está afectando la estabilidad de la red, combinado con un aumento en los desastres naturales. Cuando parte de la red se apaga, puede causar un efecto dominó en regiones enteras si no se corrige rápidamente.

Ahí es donde la energía hidroeléctrica juega un papel fundamental, según un nuevo estudio dirigido por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) que cuantificó la contribución de la energía hidroeléctrica a la estabilidad de la red en la región occidental de los Estados Unidos. Cuando se apagan otras fuentes de energía, la energía hidroeléctrica puede aumentar rápidamente, recuperar los déficits y estabilizar la red casi instantáneamente.

Y las fallas son cada vez más comunes:las interrupciones solo por el clima extremo se han cuadruplicado en los últimos cinco años.

"Lo que funcionó para la antigua red, podría no funcionar en el futuro", dijo Abhishek Somani, científico del PNNL que dirigió el estudio de laboratorio multinacional. "Durante años, los operadores han utilizado la energía hidroeléctrica para la estabilidad de la red, pero el alcance de las contribuciones de la energía hidroeléctrica no se conocía más allá de esa esfera, hasta ahora".

Control de crucero para una red resiliente

En 2003, en una calurosa tarde de agosto en Ohio, un árbol demasiado grande rozó una línea eléctrica de alto voltaje y provocó un apagado, conocido como falla. Ocurrieron tres fallas más cuando otras líneas tomaron el relevo y luego se sobrecargaron. Pronto, este apagón regional desencadenó una cascada de apagones desde Michigan hasta Nueva York, convirtiéndose en el apagón más grande en la historia de los Estados Unidos y dejando a 50 millones de personas sin luz.

Sin embargo, en Nueva York, la energía hidroeléctrica entró en acción y estaba produciendo casi la mitad de la electricidad total del estado dentro de las seis horas posteriores a la pérdida de energía. El gran tamaño de dos de las represas más grandes de Nueva York, Niagara y St. Lawrence-FDR, ayudó al estado a resistir el impacto de la interrupción que había dejado fuera de servicio a otros tipos de centrales eléctricas.

"Si una gran planta de energía se apagó o un incendio forestal quemó una línea de transmisión, cambia la frecuencia operativa de la red y puede causar una caída por debajo de los 60 Hz típicos", dijo Somani. "Si no se corrige en cuestión de segundos, puede provocar interrupciones generalizadas".

La respuesta de frecuencia es más o menos como usar el control de crucero de un automóvil mientras va cuesta arriba. El motor acelera para mantener la velocidad. De manera similar, cuando parte de la red se apaga inesperadamente, otras plantas de energía se aceleran para recuperar la energía perdida y mantener la frecuencia en 60 Hz. Esto sucede en segundos. No notamos caídas de frecuencia porque la inercia de los generadores giratorios, los motores industriales o las turbinas mantiene las luces encendidas mientras la red vuelve a subir a toda velocidad para satisfacer la demanda de energía.

Durante décadas, la respuesta de frecuencia de las fuentes de energía convencionales, como las plantas de carbón, gas y nucleares, ha brindado estabilidad general. Pero todo eso está cambiando.

En el camino hacia la descarbonización, un gran desafío con la revolución renovable es mantener la estabilidad de la red, ya que la energía eólica y solar actualmente no contribuyen a la respuesta de frecuencia. Mientras exista la tecnología, no existen incentivos regulatorios o financieros para que los operadores de energía solar o eólica contribuyan con la respuesta de frecuencia a la red.

El papel de la energía hidroeléctrica en una red resiliente

En abril de 2018, en el Bosque Nacional Ángeles, California, se rompió un viejo empalme de línea eléctrica. La línea cayó sobre la torre, provocando una falla y un corte de energía que dejó fuera de línea a una planta solar. Esto provocó una caída repentina en la frecuencia de toda la red. La energía hidroeléctrica en todo el oeste respondió instantáneamente para contrarrestar ese cambio de frecuencia y contribuyó con el 60 por ciento de la respuesta para detener una posible caída libre de energía.

"Siempre supimos que la energía hidroeléctrica brindaba una respuesta, pero la medida en que lo hizo fue sorprendente", dijo Somani, cuyo equipo analizó eventos como el del Bosque Nacional Ángeles.

Con la vista puesta en la Interconexión Occidental, la gran vía de energía que alimenta el oeste de los Estados Unidos, el equipo de investigación demostró que la energía hidroeléctrica ya está posicionada para estabilizar la red cuando cae la energía. Utilizando simulaciones y eventos históricos, descubrieron que las contribuciones de la energía hidroeléctrica a la respuesta de frecuencia oscilaban entre el 30 y el 60 por ciento.

Aunque la energía hidroeléctrica brinda este servicio, actualmente no existen mecanismos de compensación.

"No es fácil ponerle precio al valor de la respuesta de frecuencia, pero en el futuro probablemente tendremos que hacerlo", dijo Somani.

Simula olas de calor, terremotos y más

Para analizar el papel de la energía hidroeléctrica en una variedad de eventos extremos, el equipo de investigación desarrolló modelos para simular el papel que podría desempeñar la energía hidroeléctrica en esos escenarios. Estos incluyeron eventos climáticos, como una ola de calor o una ola de frío, así como eventos agravantes, como sequías.

Por ejemplo, si hubiera una interrupción inesperada de una flota de plantas de gas natural en Western Interconnect, los resultados de la simulación mostraron que la energía hidroeléctrica podría intervenir y proporcionar el 50 por ciento de la respuesta de frecuencia, aunque contribuye aproximadamente con una cuarta parte de la energía total. Esta respuesta es fundamental, ya que una interrupción generalizada de las plantas de gas natural tendría un efecto dominó de gran alcance en la red y podría desencadenar una interrupción mucho peor.

Otra simulación mostró que si dos unidades de la planta nuclear Palo Verde de Arizona se desconectaran y dejaran de producir energía, la energía hidroeléctrica podría proporcionar más respuesta de frecuencia que todas las demás fuentes de energía combinadas, aunque solo produzca alrededor del 30 por ciento de la energía en esa región.

"Es bien sabido que la energía hidroeléctrica produce energía limpia. Lo que no se conocía, cuantificaba ni valoraba tan bien era el alcance de su papel para garantizar la resiliencia de la red", dijo Somani.

El equipo de investigación, dirigido por Somani y compuesto por cinco laboratorios nacionales, desarrolló un marco de análisis que se puede utilizar como modelo para evaluar el papel de la energía hidroeléctrica en escenarios de redes futuras. En el futuro, también podrán modelar interrupciones causadas por otros eventos extremos, como terremotos e incendios forestales.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Tecnologías de Energía Hidráulica del Departamento de Energía como parte de la Iniciativa HydroWIRES, que tiene como objetivo aclarar el papel evolutivo de la energía hidroeléctrica como parte de una infraestructura de red moderna y desbloquear su potencial para optimizar las operaciones de la red.

"Contribuciones de la energía hidroeléctrica a la resiliencia de la red" fue dirigida por PNNL, junto con el Laboratorio Nacional de Argonne, el Laboratorio Nacional de Idaho, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.