En la entrega anterior, preparatoria de la que sigue ahora, quise explicar cómo un importante límite físico dificulta la extensión de las redes de distribución de energía eléctrica.
Veíamos allí que la longitud de las ondas electromagnéticas la determinaba su frecuencia y la velocidad de transmisión, necesariamente menor que la velocidad de la luz en el vacío.
Longitud que viene dada por el cociente entre la velocidad de transmisión (en kilómetros por segundo) y la frecuencia (en ciclos por segundo). El resultado, en kilómetros por ciclo, es la longitud de la onda.
Esto determina que a partir de esa distancia pueden producirse ondas estacionarias potencialmente destructivas, lo que obliga a transformar esta onda de corriente alterna (AC) en corriente continua (DC), con la consiguiente pérdida de energía, que puede llegar a ser muy alta.
En la cuarta entrega de la serie La lavadora de medianoche el enigmático Beamspot explica con cierto detenimiento como esta y otras razones impiden la obtención de una verdadera red global de distribución de la energía eléctrica, de modo que el grueso de la producción debe estar cerca del lugar de consumo. Pero los lugares de mayor producción pueden estar muy lejos de los de máximo consumo, cosa evidente para las energías renovables, en particular la hidroeléctrica y la solar.
La necesidad del cambio AC/DC es un inconveniente grave y ocasiona grandes pérdidas de energía en las líneas, pero otra importante dificultad es la adecuación simultánea de la producción y el consumo, para evitar fatales sobrecargas o caídas de tensión, dada la imposibilidad de almacenar, para utilizarlas en otro momento, grandes cantidades de energía.
Por eso es tan importante la despachabilidad, cualidad que solo tienen las fuentes de energía eléctrica que pueden ser utilizadas a demanda, de modo que se pueda despachar en cada momento la energía que precisa la red:
"Los generadores despachables pueden ser conectados a la red, desconectados de ella, o aumentar o disminuir (dentro de sus potencias de diseño máxima y mínima) la energía que entregan a la red según las órdenes que reciban de su operador.
Esto contrasta con la generación no despachable, energías renovables como eólica o solar fotovoltaica, en las que la cantidad de energía que entregan depende del viento o el sol que haya.
Las únicas energías renovables que son directamente despachables, sin un dispositivo separado para almacenar su energía, son la hidroeléctrica (que incluye la minihidráulica), la biomasa, la geotérmica y la maremotérmica."
El resultado es que, contra lo que algunos interesados quieren hacernos creer, el incremento de las fuentes renovables encuentra un límite (uno más...) en su comportamiento irregular, independiente de nuestros deseos. A mayor proporción de estas energías no despachables, mayor inestabilidad y mayores problemas.
Sigue a continuación un extracto del artículo mencionado:
La lavadora de medianoche (IV)
(...)
El dato importante a recordar de esta teoría, es que para que una red pueda ser estable, tiene que tener un tamaño máximo, y en caso de necesidad, para poder llegar no mucho más lejos, la cantidad de potencia que tiene que transmitirse pasada dicha distancia tiene que ser relativamente pequeña.
Integración espacial.
Cambiemos de tercio. Veamos el mundo desde otra perspectiva, e integremos la visión renovable, especialmente la solar.
Veamos el Mundo desde el punto de vista del Sol. Un mundo perfectamente desplegado, abarcando su totalidad, su lado oscuro, y el lado de la luz.
Hagámoslo además en un momento muy importante del año: la noche más larga, la noche en la que renace de nuevo el Sol hecho niño, el solsticio de invierno, la noche de mayor consumo puntual, uno de los más elevados del año. Navidad, Nochebuena.
Sea, además, a la hora de mayor celebración, al anochecer en la costa oeste de los EEUU. Medianoche cerrada en Europa.
¿Qué vemos aquí? Es muy fácil ver dónde se consume electricidad en ese momento: son las áreas iluminadas dentro de la zona oscura que determina dónde es de noche, la parte del Mundo que está a oscuras, detrás del Sol.
La parte iluminada es bastante obvia, y se puede ver un iconito de donde ‘está el Sol’ a esa hora, justo en el margen derecho de la imagen, a la altura de Australia. Un poco a la izquierda, se puede ver un punto blanco que representa la Luna casi Nueva, a medio camino entre el Sol y Australia.
En California está anocheciendo, así como en Ushuaia, mientras que apenas está amaneciendo en el este de China, el Sol ya ha nacido en Japón, y en Australia están ya a media mañana.
Se puede observar como nota, que toda la Antártida además está iluminada con el Sol de Medianoche.
No hay ningún trozo de tierra emergida donde el Sol esté directamente encima, y mayormente éste aporta su energía al Océano Pacífico. Lo más próximo que hay que pueda generar energía solar es Australia.
En el resto (California, México - Baja, China, Japón, Chile, Argentina) el Sol está tan bajo en el horizonte que no producen nada.
Por tanto sólo Australia, Nueva Zelanda y algo la zona de Indonesia, Filipinas, etc están en condiciones de producir energía solar.
El concepto que da pie a esta sección hace referencia a intentar reducir el almacenamiento necesario a base de integrar la energía renovable que se produce en el Mundo entero en una red mayor, supliendo la demanda en un lado con la producción ‘excedente’ en otro, simplemente, transportándola mediante una red eléctrica global.
Lo explicado en la sección anterior, deja muy claro que eso no es posible. Además, hay otros inconvenientes.
El primero, es que hay que tener en Australia mucha potencia instalada, muchísima más de la que Australia sola necesita: la suficiente como para alimentar al Mundo entero. Ergo la potencia instalada necesaria para ello es descomunal. No es una aproximación eficiente.
El segundo, es que un día nublado en Australia deja a oscuras a todo el Mundo. No es una aproximación resiliente.
El tercero, es que en ese momento Australia estaría en condiciones de chantajear a toda la población del planeta.
El cuarto, es que las líneas de transporte hacia Europa, además de una parte de la potencia que tiene que ir a los EEUU, pasarían por China y a través del estrecho de Bering, por Rusia (escribo esto en la primera semana de la invasión de Ucrania) a América.
El quinto, el descomunal precio de la red de reparto necesario para tal menester, así como su mantenimiento.
El sexto, las elevadísimas pérdidas de potencia debido a las enormes distancias de distribución. Es una idea sumamente ineficiente.
Y para terminar, todos los problemas de inestabilidad se sumarían sin tener nada para contrarrestarlo, y encima con problemas ‘compuestos’ debido a los problemas relativistas explicados.
Resumiendo: la integración espacial choca con los límites relativistas, obligando a tener sistemas despachables y controlables dentro de subredes menores de 600Km o más pequeñas (si se tienen estos sistemas en cantidad adecuada, puede llegarse a 1000Km). Las pérdidas hacen inviable tamaños grandes.
Aunque volveremos a hablar de pérdidas y eficiencias en el siguiente bloque, cabe recalcar que con un sistema que tiene la producción muy próxima al consumo como es el sistema peninsular, las pérdidas medias totales (transporte, reparto, distribución, transformación) son del orden del 10%, con picos bastante más elevados según la hora, día, etc.
Aumentar la distancia media entre la producción y el consumo, como es el ejemplo propuesto, los dispara por encima del 30 e incluso 50%: aumentan al cuadrado con la distancia, y los sistemas de transformación AC/DC y viceversa, tienen peor rendimiento que los transformadores de AC.
Por otra parte, habría que analizar con más detalle el consumo y su distribución. En este caso concreto, hay una parte buena: la zona más poblada del mundo está empezando a despertarse.
Me refiero al sudeste asiático, donde vive la mitad de la población mundial. China, Japón, Taiwán, las dos Coreas, Vietnam, Indonesia, Camboya, Laos, etc.
Tampoco es que sean zonas con un elevadísimo consumo per cápita, pero el número es muy relevante… y se da la casualidad que justo está amaneciendo es esos lares. Recordemos que hemos visto que la curva del pato precisamente suele tener un pico matutino justo a esa hora, especialmente en invierno en el hemisferio norte, que es justo dónde está esa zona (bastante más próxima al ecuador, por eso, y por tanto, con menor variación horaria de solsticio a solsticio).
Pero hay otras áreas con menor densidad de población, pero elevadísimo consumo per cápita: Europa y Estados Unidos… y la nada despoblada India, también próxima a su despertar.
Un mapa de la densidad de población puede venir al caso, aunque las lucecitas en el lado oscuro del planeta ya nos pueden dar una idea:
Se ha añadido un ‘sol’ de color naranja para que se pueda ver dónde se halla la fuente de energía solar en el momento que se ha descrito. Como se puede observar, la gran mayoría de la población está durmiendo, o, al menos, sumida en la oscuridad.
Y en el hemisferio norte, donde es invierno y hace frío.
Lo que demuestra que todo el tema hipotético de las renovables, no tiene nada que ver con la independencia energética sino justo todo lo contrario: aumenta la interdependencia, bien porque necesitamos una red mundial de distribución y producción eléctrica, o bien porque cada país tiene que tener la capacidad de producir energía cuando las renovables fallen, mediante cosas que vienen de otras partes del mundo.
En esta entrada estamos explicando que lo primero como que va a ser que no.
Respecto de lo segundo, bueno, ya hemos visto cómo va esto de la ‘independencia energética’, el problema europeo de falta de gas en las sanciones a Rusia.
De paso, cabría recordar que el 65% de combustible nuclear viene de Rusia. También hay que recordar que como cerca del 80% de paneles fotovoltaicos, una tajada cada vez más grande de aerogeneradores, más del 90% de tierras raras (aunque decreciendo) vienen de China. Y muchos otros materiales como el Níquel (usado en las baterías de litio) y el Platino (usado en catalizadores, especialmente celdas de combustible para el hidrógeno), también vienen de Rusia.
Aún así, el dato más importante de este concepto, el que hay que tener en cuenta, es que trata de transmitir enormes cantidades de potencia (relativa y absoluta) a distancias enormes, muy superiores a la distancia considerada.
Justo todo lo contrario a las limitaciones expuestas en el apartado anterior.
Comprobémoslo.
La prueba de Micolor.
Analicemos más de cerca un caso práctico en un área bastante extensa, y que nos afecta de lleno para ver hasta dónde se ajustan estas explicaciones. Un caso que ya ha sido mencionado en esta serie: el desacople de la red europea del 8 de Enero de 2021.
Para el caso, podemos ir a la página del organismo oficial europeo que se encarga de gestionar todo esto, aquí. ENTSO es el acrónimo de dicho organismo.
Allí se encuentra una explicación somera, pero se puede descargar un documento completo en pdf para su análisis más meticuloso, aquí.
Un breve resumen (del documento resumen enlazado) se puede explicar de esta manera:
El mercado eléctrico funciona generalmente con estimaciones de un día para el siguiente, basadas cada vez más en previsiones meteorológicas debido al peso de las renovables. Según el resultado de esta previsión, así como la previsión de consumo y situación del país (por ejemplo, de los embalses), se realiza la famosa subasta.
Pero este incidente no va de la subasta, sino de cómo el resultado de dicha subasta es utilizado por los diferentes operadores para manejar la distribución eléctrica entre los diferentes países.
Esta previsión se realiza por intervalos horarios para el día siguiente.
En este estudio se recalcan los trasvases de potencia entre los diferentes países (de forma esquemática) según lo acordado/subastado por un lado, y según la realidad por otro.
Ese desfase se debe en su mayor parte a las renovables: primero por la variabilidad de las mismas, y segundo, por la imposición por ley de darles prioridad a los caprichos de la Naturaleza.
Por esa razón hace falta un sistema de supervisión que tenga en cuenta estos factores y haga los necesarios ajustes en la red de reparto y transporte para adaptar y ajustar la configuración de la misma, puesto que hay unos límites establecidos.
Desde el principio, la previsión para dicho día ya apuntaba a un ‘gran’ transvase de energía desde el Este de Europa hacia el Oeste, aunque en un principio no hacía falta modificación en la estructura de la red de transporte.
El motivo: la meteorología. Concretamente el viento, así como la inestabilidad atmosférica en el Oeste (en la península Ibérica en concreto, según la página 30 del informe del organismo europeo).
Eso produjo un flujo de 5,8GW de potencia desde el Sudeste al Noroeste europeos sobre las 14:00 de la tarde (página 134). Como referencia, el reactor nuclear de Chernóbil que estalló (hay más aún funcionando en la misma central) era de 1GW.
Ese nivel de flujo puso la red eléctrica al borde de la inestabilidad (en el sentido relativista) debido a ser un flujo demasiado grande. Para que nos hagamos una idea, en ese momento en la península se consumían 44,1GW según la REE.
Un flujo a tanta distancia de 5,8GW representa sólo el 14% de la potencia necesaria para la península, y sin embargo, esos 5,8GW se tenían que destinar al centro de Europa: Alemania, Polonia, República Checa, Eslovaquia, Austria, además de Francia, Suiza, Italia, España y Portugal. Una potencia relativamente pequeña, y ya se pone la estabilidad de la red al límite (página 134 de nuevo).
(Continúa el artículo con la descripción pormenorizada de los efectos en cadena de esta pérdida de estabilidad, que llegaron a lugares tan alejados como Turquía).
(...)
Esta es la estructura de producción de España justo ese día. Apenas imperceptible en el bloque verde (eólica) hay un pico que parece ser esa gota que hizo derramar la inestabilidad.
Si uno se fija, para compensar hubo una subida bastante brusca de producción hidroeléctrica y de gas alrededor de la hora del corte europeo: 971 MW más de ciclos combinados, y 792 de hidroeléctrica, un total de 1763 MW de sobreproducción para compensar una caída de importación de 1954 MW fruto del desacoplo.
La importación de energía en ese día no era precisamente baja, estando por encima de la generación por ciclos combinados.
A partir de aquí, el mismo texto mencionado saca ciertas conclusiones importantes, en las páginas 135 y 136.
La primera, que la red estaba ya en los límites de la estabilidad con un flujo relativamente pequeño.
La segunda, derivada de la primera, que hace falta que se tenga mucho más en cuenta los límites de estabilidad dinámica del sistema que no simplemente los trasvases de potencia entre países limítrofes.
Estos dos refuerzan la explicación dada en la primera parte de este artículo.
La tercera conclusión, es que reduciendo las centrales convencionales, y por tanto la inercia disponible (con su efecto estabilizador), hace falta empezar a trabajar en soluciones que proporcionen estabilidad a la red.
La cuarta, consecuencia de la tercera, es que los sistemas de potencia de acción rápida necesitan ayuda más allá de los sistemas clásicos (las ya conocidas centrales despachables) si hay que aumentar la transferencia de potencia entre regiones distantes.
Otra importante, es que hay que aumentar el control (y la complejidad asociada), así como la centralidad de la gestión, yendo más allá de los sistemas actuales de supervisión, control y gestión, y con modelos nuevos más sofisticados y complejos.
Y, para acabar, recalcan que con la transición energética este tipo de problemas van a ir a más, debido a mayores flujos de potencia necesarios, a una mayor inestabilidad de los sistemas instalados, y que en ese contexto hace falta aumentar los sistemas que aporten estabilidad a la red, implicando de forma indirecta que dicha transición va justo en sentido contrario.
Traducción literal:
“Grandes flujos de potencia paneuropeos y la subsiguiente bajada del margen de estabilidad fueron cruciales para el incidente, lo que revela e ilumina la visión sobre el futuro de los sistemas de potencia en Europa. Con la transición energética en curso, grandes flujos de potencia de largo alcance a nivel paneuropeo van a incrementarse más en amplitud y ocurrencia.”
Conclusiones que podemos sacar del incidente:
- Un flujo internacional Sudeste → Noroeste de sólo 5,8GW ya estresa la red eléctrica europea poniéndola en el límite del margen de estabilidad de fase. Muy poco.
- Cambios de última hora en la estructura de producción debido al aumento del viento, estresan más algunos nodos que otros.
- Cambios similares en Italia, que reestructura su balance de importación desde los Balcanes, causa todavía más estrés en un nodo lejos de Italia.
- La inestabilidad meteorológica en España se traduce en inestabilidad eléctrica en la red que llega al nodo estresado, muy probablemente siendo la gota que colma el vaso.
- Esa inestabilidad hace saltar uno de los enlaces entre las dos partes que se separaron, causando un fallo en cascada, fichas de dominó, debido a que se rebasó el margen de estabilidad de fase, que justo según el mapa de calor estaba en la zona por la que se dividió la red europea.
- Tras la separación, el flujo de potencia causó una diferencia de frecuencias enorme (según los parámetros eléctricos) entre ambas partes, generando inestabilidad local en cada una de las dos regiones, y que obligaron a tomar medidas drásticas.
- La inestabilidad, por efectos relativistas, causó problemas en sitios tan alejados de la zona de falla como Portugal o Turquía, además de efectos controlables en el Reino Unido y la península escandinava, la gran proveedora de sistemas de acción rápida ante este tipo de emergencias, básicamente hidroeléctrica. Eso demuestra que los efectos relativistas son importantes.
- Un fallo de ajuste (literalmente demasiado ajustado) hizo que la perturbación hiciese saltar una conexión entre Francia y España.
- La rápida actuación de sistemas, tanto de corte (décimas de segundo) como de soporte de frecuencia, es decir generación despachable que o bien estaba por debajo de potencia nominal o directamente lista para entrar en caso de emergencias como esta, permitió que la cosa no se descontrolase más.
- Las conexiones en DC entre varios países ayudaron a estabilizar la situación, entre otras cosas porque no se desconectaron las dos que había entre las dos secciones.
Por tanto, a partir de dicho documento podemos confirmar:
- Que la estabilidad de fase quede en entredicho con tan poca potencia relativa, demuestra la teoría de los efectos relativistas expuestos en esta entrada.
- Que la estabilización se ha producido gracias a los sistemas controlables y despachables queda demostrado.
- Que las renovables y las políticas de meter todo lo que se produzca de renovables por encima de los sistemas despachables son un problema también queda resaltado.
- El documento insiste varias veces en que hay que añadir y reforzar la capacidad de proporcionar control (o sea, capacidad de despacho) a la red.
- El documento recalca varias veces que un aumento de renovables debe ir acompañado de un aumento de sistemas despachables de control de la red.
- El documento resalta la importancia evidente de la coordinación y control centralizado de toda la red eléctrica, justo lo contrario del concepto de ‘independencia energética’ que se explica.
- Las políticas energéticas que se proponen se basan única y exclusivamente en aumentar la producción de sistemas renovables eléctricos que no aportan control, a costa de reducir o eliminar todos aquellos sistemas que aportan despachabilidad, control y estabilidad a la red, justo lo contrario que pide el documento en sus conclusiones.
- En dichas conclusiones, el documento recalca de la necesidad de estos sistemas de control y que las políticas futuras de energía renovable tienen que tener en cuenta desde ya mismo este efecto, justo lo contrario de lo que nuestros dirigentes están pidiendo.
- Queda patente que hace falta un sistema mejor de previsión de la demanda, pero, sobre todo, de previsión de la producción, especialmente en la azarosa renovable intermitente y descontrolada, que es la mayor causante de los desajustes entre lo planificado y la realidad.
- Que la red europea, considerada una de las más grandes del mundo, no es capaz de integrar con suficiente capacidad las renovables bajo su área de influencia. Ya ha quedado demostrado que muchas veces no hace viento en toda Europa, y resulta obvio que hay pocas horas de diferencia en lo que es la exposición solar. Y sin embargo, ya se está cerca del límite de estabilidad de la red.
Queda demostrado por lo expuesto, que la integración espacial, los efectos relativistas, y las particularidades de las renovables no suman tal y cómo se propone por parte de aquellos fervientes defensores de las renovables.
Eso implica que los intercambios internacionales, la integración, no puede ir mucho más allá de una fracción de la potencia consumida por cada red.
Las dimensiones de una red para que sea manejable son reducidas, más o menos, al tamaño medio de un país europeo.
Eso implica que cada país o región, aparte de una modesta interconexión con los países limítrofes, a ser posible con enlaces DC, debe ser lo más autosuficiente posible en cuanto a producción energética despachable.
Y, a fecha de 2022, sólo hay una opción para esto último: centrales de gas, bien ‘peakers’, bien ciclos combinados.
(...)
Termino con otra cita de la misma serie, acompañada de una impresionante foto del cielo deslumbrante de San Francisco, contrastando con la tétrica oscuridad en que se sumió la ciudad durante uno de los "apagones programados".
Interesante la información sobre el recorte, iniciado ya, de producción renovable en algunos lugares, dada su inestabilidad...
(...)
El resultado neto de todo este batiburrillo y confusión (convenientemente incentivada por sectores ajenos totalmente a la técnica y tecnología por intereses espurios), es que en muchos países ya se ha llegado al límite real de integración de renovables y llevan años recortando la producción tanto solar (incluyendo la de autoconsumo) como la eólica, y no sólo dentro de sus propias fronteras.
Alternativamente, también están aquellos que han llegado al límite, y por razones, ehm, políticas (es un caso digno de estudio tanto político como social, psicológico y psiquiátrico) y por no querer rendirse ante la evidencia, pues no recortan la producción renovable.
Sólo recortan el uso de electricidad en forma de apagones rotatorios repartidos entre la población.
El caso más grave es el de California (en la foto). También se ha hablado de China, que sólo acudió a este sistema de forma puntual ante la situación pero que rápidamente cambió de política a la primera que tuvo la oportunidad. Pero también están otros casos más complicados donde no se tiene más remedio y por tanto han pillado a los gobiernos sin opciones.
Entre esos últimos podemos hablar de Sri Lanka, Irán, Kosovo.
Es cada vez más probable que pronto (esperemos que no sea el caso) incluso en otras partes de Europa nos encontremos en situación similar.
Y eso que precisamente es en Europa donde se ha empezado a recortar producción renovable ante los problemas de inestabilidad que producen este tipo de energías. Hace años, además.
(...)
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