Cómo una red eléctrica inteligente impulsará nuestro futuro

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Reimaginar la red eléctrica de los Estados Unidos podría ahorrar a los consumidores $ 50 mil millones al año

Cortesía de Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico.
Por karyn hede, PNNL

Un plan novedoso que ofrezca una asociación para mantener estable y confiable la red eléctrica de los Estados Unidos podría ser beneficioso para los consumidores y los operadores de servicios públicos.

La simulación más grande de su tipo, modelada en la red eléctrica de Texas, concluyó que los consumidores pueden ahorrar alrededor del 15 por ciento en su factura eléctrica anual al asociarse con las empresas de servicios públicos. En este sistema, los consumidores se coordinarían con su operador de servicios eléctricos para controlar dinámicamente a los grandes usuarios de energía, como bombas de calor, calentadores de agua y estaciones de carga de vehículos eléctricos.

Este tipo de control flexible sobre el suministro de energía y los patrones de uso se denomina “transactivo” porque se basa en un acuerdo entre los consumidores y las empresas de servicios públicos. Pero nunca se ha implementado un sistema de energía transactiva a gran escala, y hay muchas incógnitas. Es por eso que la Oficina de Electricidad del Departamento de Energía llamó a los expertos en energía transactiva de Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico para estudiar cómo un sistema de este tipo podría funcionar en la práctica. El final informe de varios volúmenes fue lanzado hoy.

Hayden Reeve, experto en energía transactiva y asesor técnico del PNNL, lideró un equipo de ingenieros, economistas y programadores que diseñaron y ejecutaron el estudio.

“Debido a que la red de Texas es bastante representativa del sistema energético de la nación, no solo permitió el modelado y la simulación de conceptos transactivos, sino que proporcionó una extrapolación confiable de los resultados y los posibles impactos económicos a la red y los clientes más amplios de los Estados Unidos”, dijo.

La simulación mostró que si se implementara un sistema de energía transactiva en la red del Consejo de Confiabilidad Eléctrica de Texas (ERCOT), las cargas máximas se reducirían entre un 9 y un 15 por ciento. Ese ahorro podría traducirse en beneficios económicos de hasta $ 5 mil millones anuales solo en Texas, o hasta $ 50 mil millones anuales si se implementa en todo el territorio continental de los Estados Unidos. Los ahorros equivaldrían a la producción anual de 180 centrales eléctricas de carbón a nivel nacional.

La simulación más grande jamás realizada de un sistema de energía transactiva muestra beneficios económicos potenciales para la nación y una red flexible lista para alimentar los sectores eléctrico, de construcción y de transporte con energía renovable limpia. (Video de Eric Francavilla | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico)

A estas alturas, la mayoría de las personas han experimentado o presenciado cómo los fenómenos meteorológicos extremos o los desastres naturales pueden causar estragos en nuestros sistemas de distribución de energía actuales. Esa vulnerabilidad se ve magnificada por nuestra dependencia de unas pocas fuentes de energía centralizadas y un sistema de red que a veces tiene dificultades para hacer coincidir la oferta con la demanda. Además, la descarbonización de la red eléctrica significará que cada vez más energía provendrá de diferentes tipos de fuentes de energía renovable, como la eólica y la solar. Por lo tanto, evitar picos o caídas repentinos (caídas de energía o apagones) se vuelve primordial.

Los hallazgos del estudio indican que un sistema de energía transactiva reduciría los cambios de carga diarios entre un 20 y un 44 por ciento. Y a medida que se utilizan más vehículos eléctricos, el estudio, quizás de manera contradictoria, mostró que las estaciones de carga de vehículos inteligentes brindan reducciones de carga máxima eléctrica aún mayores porque ofrecen flexibilidad adicional en los tiempos de carga programados y el consumo de energía.

“Una red inteligente puede actuar como un amortiguador, equilibrando los desajustes entre la oferta y la demanda”, dijo Reeve. “A través de nuestro estudio, buscamos comprender cuán valiosa podría ser la coordinación efectiva de la red eléctrica para la nación, las empresas de servicios públicos y los clientes. Trabajar con los propietarios y consumidores de edificios comerciales para ajustar automáticamente el uso de energía representa un paso práctico en el que todos ganan hacia la descarbonización de los sectores eléctrico, de construcción y de transporte sin comprometer la comodidad y la seguridad de los hogares y negocios participantes”.

Hayden Reeve, experto en energía transactiva y asesor técnico del PNNL, dirigió el equipo de ingenieros, economistas y programadores para evaluar el potencial de la energía transactiva en la infraestructura energética del país. (Foto de Eric Francavilla | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico)

Un componente clave de esta estrategia es la adopción de dispositivos inteligentes y controles de carga. Estos recursos dinámicos pueden aprender a consumir energía de manera más eficiente, ajustando su uso por períodos breves para liberar electricidad para otras necesidades. Por ejemplo, en lugar de cargar un vehículo eléctrico temprano en la noche cuando la demanda de energía y el precio son altos, los participantes de energía transactiva confiarían en un control de carga inteligente para retrasar la carga de su vehículo hasta que la demanda sea baja y la electricidad sea más barata. Este enfoque no solo reduce el estrés en la infraestructura de la red existente, sino que permite que las empresas de servicios públicos tengan más tiempo para plan para el almacenamiento de energía de próxima generación y infraestructura de distribución que se encuentra actualmente en desarrollo.

Energía transactiva: un componente central

En un sistema de energía transactiva, la red eléctrica, los hogares, los edificios comerciales, los electrodomésticos y las estaciones de carga están en contacto constante. Los dispositivos inteligentes reciben un pronóstico de los precios de la energía en varios momentos del día y desarrollan una estrategia para satisfacer las preferencias de los consumidores mientras reducen el costo y la demanda general de electricidad. Un mercado minorista local a su vez coordina la demanda general con el mercado mayorista más grande. Todas las partes negocian los niveles de adquisición y consumo de energía, el costo, el tiempo y la entrega en un esquema de precios dinámico.

Si bien este concepto puede parecer futurista, es muy posible lograrlo y ya se está implementando en un proyecto de demostración en el distrito ecológico de la ciudad de Spokane. Aquí, el equipo de investigación está desarrollando y probando un esquema de coordinación de energía transactiva y un mercado minorista. El enfoque también incluye el uso de Agentes de software transactivos diseñados por PNNL.

El Centro de Operaciones de Infraestructura Eléctrica, ubicado en el PNNL, permite a los investigadores evaluar los escenarios de la red eléctrica en el contexto de las condiciones actuales de la industria. (Foto de Andrea Starr | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico)

Una empresa del tamaño de Texas

La red eléctrica primaria de Texas (ERCOT) proporcionó la base para el análisis de PNNL. Los investigadores crearon modelos muy detallados que representaban la red eléctrica de ERCOT, incluidas más de 100 fuentes de generación de energía y 40 servicios públicos diferentes que operan en el sistema de transmisión. El análisis también incluyó representaciones detalladas de 60.000 hogares y empresas, así como sus electrodomésticos que consumen energía. Los investigadores utilizaron los modelos para realizar múltiples simulaciones en varios escenarios de generación de energía renovable. Cada simulación demostró cómo reaccionaría el sistema de energía ante la adición de diferentes cantidades de fuentes de energía intermitentes, como la eólica y la solar. El equipo de investigación también desarrolló un modelo económico detallado para comprender los impactos de costos anuales para operadores y clientes. Finalmente, analizaron los costos iniciales asociados con los gastos de mano de obra y software, así como los costos de compra e instalación de dispositivos inteligentes en hogares y empresas.

Otro objetivo importante del estudio incluía evaluar el impacto de un nuevo tipo de mediador en la economía de red. Esta entidad, denominada operador del sistema de distribución, estaría obligada a administrar una red que tiene múltiples fuentes de energía de propiedad y operadas por distintas entidades, todas contribuyendo energía a la red en diferentes momentos y cantidades. Además, este operador del sistema de distribución negociaría las transacciones con los clientes que permitan un control flexible de la carga. El objetivo sería apoyar la operación eficiente y confiable de la red. El estudio confirmó el valor de establecer entidades, como un operador del sistema de distribución, para gestionar la energía transactiva.

En general, la investigación del PNNL mostró claros beneficios de volver a imaginar cómo la red eléctrica podría adaptarse a un futuro en el que la energía renovable limpia sea un contribuyente mucho mayor y una mayor parte de nuestras necesidades de transporte dependan del acceso inmediato a la electricidad.

Gráfico de Cortland Johnson | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico

“Estos hallazgos son un argumento sólido para invertir en implementaciones a escala de sistemas de energía transactiva”, dijo Christopher Irwin, gerente de programa de la Oficina de Electricidad, Departamento de Energía, en sus esfuerzos de estándares e interoperabilidad de Smart Grid. “A medida que la nación avanza hacia un futuro sin emisiones de carbono, un sistema de energía más adaptable podría ayudar a acelerar el despliegue más amplio de vehículos eléctricos, energía solar y la conversión de viviendas y edificios en fuentes de electricidad limpias”.

Además de Reeve, los investigadores del PNNL Steve Widergren, Rob Pratt, Bishnu Bhattarai, Sarmad Hanif, Sadie Bender, Trevor Hardy, Mitch Pelton, Ankit Singhal, Fernando Bereta dos Reis, Ahmad Tbaileh, Matt Oster, Tianzhixi Yin, Laurentiu Marinovici y Sarah Barrows todos contribuyeron a la investigación y redactaron los informes finales. El estudio fue apoyado por la Oficina de Electricidad del Departamento de Energía.

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