Los límites de la computación

Cuando pretendemos incrementar simultánea e indefinidamente la velocidad y la capacidad de computación chocamos con limitaciones insalvables. Una de ellas, como traté de explicar someramente en la entrada Un importante límite físico, se deriva de la velocidad de transmisión de las ondas por los conductores, velocidad relativista. Cuanto más corta es la onda más limitada es la distancia a la que la formación de ondas estacionarias puede provocar fenómenos de resonancia destructiva.

En las redes de alta tensión una frecuencia relativamente baja, 50 Hz, (50 ciclos por segundo), produce ondas muy largas que limitan la distancia entre nodos a unos pocos cientos de kilómetros. En los circuitos de los ordenadores la frecuencia de reloj ha llegado a ser de casi 5 GHz, unos cien millones de veces superior, lo que lleva a longitudes de onda muy cortas y limita las distancias a pocos centímetros. Esta es una de las razones, no la única, de la creciente miniaturización.

La carrera por la velocidad está llena de obstáculos.

En los ordenadores, la velocidad de la computación está ligada a la de transmisión de las interminables secuencias de "ceros" y "unos" que emplea el lenguaje de máquina, absolutamente ininteligible para la mente humana. Esto obliga a emplear lenguajes de programación accesibles a la capacidad mental del programador, y de compiladores que puedan efectuar la traducción entre ambos lenguajes.

La complejidad física se añade a la lógica. Para que el proceso no sea una única y larguísima secuencia se impone la simultaneidad de varios desarrollos paralelos entrelazados. La historia de la computación es una carrera por acelerar las operaciones, haciendo en paralelo todas las posibles. Claro está que eso complica la arquitectura de la máquina.

Al principio la arquitectura interna de los procesadores de juego de instrucción era compleja y requería muchas etapas diferentes, superando las 12 en varios casos. Luego se empezó a trabajar en sistemas más sencillos, con menos etapas, para ejecutar instrucciones más simples.

La idea era quitar instrucciones que lo hacían todo más complicado, pero que se usaban rara vez, por sólo las instrucciones necesarias para los cometidos básicos, de tal manera que la complejidad pasaba al programa (que necesitaba ahora más instrucciones, un programa más largo) para hacer esas cosas enrevesadas, pero eso permitía que las cosas sencillas, que constituyen la mayor parte del programa, se ejecutasen de forma más rápida, aunque las cosas complicadas fuesen más lentas, con una ganancia neta de velocidad.

Eso se hizo famoso con la Ley de Moore: cada dos años se dobla la potencia de cálculo.

La velocidad en cuanto a MHz lleva tiempo estancada. Se ha esquivado el frenazo brusco tirando de procesamiento paralelo: aceleradores gráficos, coprocesadores, y luego, al ir empeorando la situación, el aumento de núcleos con la idea de ir repartiendo trabajo.

El blog The Oil Crash viene publicando la serie Las guerras COB, sobre esta batalla por la velocidad de computación (COB, siglas en inglés para chip en placa). Su cuarta entrega señala el límite relativista que impone la velocidad de la luz, el mismo que dificulta el aprovechamiento global de las energías renovables:

Todos los elementos que tienen que trabajar a gran velocidad y acoplados entre sí, como por ejemplo la CPU con la memoria, o con buses de comunicación de alta velocidad (o sea, video y red de comunicaciones) se encuentran con que a 1GHz el reloj apenas se desplaza 15 cm en un cable, 10 cm en un circuito impreso. Si subimos a 2 GHz, bajamos esta distancia a la mitad: 5cm en un circuito.

Eso implica que no podemos poner la CPU y la memoria donde nos dé la gana. Es más, todas las señales que van de uno a otro componente tienen que tener una longitud similar, y generalmente estipulada con un máximo y un mínimo.

Y eso no es todo: la alimentación sufre al mismo ritmo, pero con una intensidad mayor.

Es lo mismo que pasa con las grandes redes eléctricas y las renovables, sólo que a la escala adecuada: ¼ de la longitud de onda. O sea, 750Km para los 50 Hz de la red eléctrica, 2,5cm para los 2GHz de los procesadores de nuestros teléfonos móviles u ordenadores personales.

Prólogo

Lo primero que le viene a la mente a uno cuando le hablan de la velocidad de la luz, es Einstein, la teoría de la relatividad, y las naves espaciales, con su ‘hiperespacio’ para ir más rápido aún que ese límite físico.

Por supuesto, eso pertenece al campo de la ciencia ficción, y parece que ese límite está muy lejos actualmente como para preocuparnos, y que, cuando llegue, encontraremos una manera de ‘doblar el espacio’ o de ‘arrugarlo’ y así alcanzar velocidades WARP, como lo denominan los Trekkies.

Sin embargo, los efectos relativistas y el límite de la velocidad de la luz nos lo encontramos cada día de forma cotidiana. Usted mismo lo está ‘padeciendo’ en el momento de leer esto: la electrónica utilizada en la informática y la transmisión de video al monitor, por poner un par de ejemplos, se han topado con este efecto hace varias décadas. De hecho, las Leyes de Maxwell trabajan ya con efectos relativistas y preceden a la teoría de Einstein.

De hecho, el WiFi y demás comunicaciones radio, utilizan antenas, que son un caso práctico de relatividad aplicada a la electricidad.

Todo eso forma un límite complicado y que es obviado, ignorado por mucha gente, empezando por ingenieros electrónicos mismamente, pero cuyo alcance va mucho más allá.

(...)

State of the Art

Todos los procesadores y derivados, funcionan a una cierta velocidad. Para conseguir esto, utilizan un reloj de sistema que ‘marca el paso’ al cual las instrucciones de programa van desfilando por el procesador.

Este reloj de mide en ciclos por segundo o sus múltiplos, MegaHercios (MHz) o GigaHercios (GHz), y es la frecuencia máxima en pulsos de reloj a la que puede trabajar ese procesador. Mega para millones, giga para miles de millones. Que se dice rápido.

Cuando salió el primer PC de IBM, el reloj de sistema iba a la extraña velocidad de 4,77 MHz. Extraña por no ser un número ‘redondo’, pero su razón era porque era un múltiplo necesario de la velocidad de comunicación del puerto serie base con el que se comunicaba con el mainframe (pensad que estaba diseñado para ser utilizado también como terminal ‘inteligente’).

El básico microcontrolador 8051 iba a la ‘increíble’ velocidad de 12 MHz.

Sin embargo, el funcionamiento interno de esas CPU’s implicaba que cada instrucción necesitase una serie de pasos para ser ejecutada, 12 por ejemplo en el 8051, lo cual implicaba que como máximo ejecutaba una instrucción cada 12 ciclos de reloj o lo que era equivalente, 1 MHz de instrucción, generalmente llamado 1MIPS (1 Millón de Instrucciones Por Segundo).

Obviamente, la punta de lanza de la tecnología iba en dirección de aumentar la frecuencia de reloj a base de reducir los elementos que la limitaban: el tamaño de la puerta de los MOSFET internos.

Vamos, el famoso nodo de fabricación.

Además, se trabajó en el sistema interno de ‘pasos’ del procesador, para que las unidades que los ejecutaban funcionasen de forma independiente y en paralelo. Lo que ahora se conoce como piping, que básicamente consiste que mientras la instrucción 1 está en el paso 12 en la estación correspondiente, la instrucción 12 está en la estación 1 ejecutándose el primer paso. 

Eso permitía que se llegase cerca de 1MIPS por MHz, es decir, que con esa solución el 8051 daría aproximadamente 12MIPS a los mismos 12MHz.

Este sistema se debe a que por aquellos entonces las arquitecturas internas de los procesadores de juego de instrucción complejos (CISC en su acrónimo anglosajón) eran eso, complejos, y requerían muchas etapas diferentes, superando las 12 en varios casos.

Por contrapartida, se empezó a trabajar en sistemas más sencillos que necesitasen muchas menos etapas, del orden de dos o tres, pero en base a ejecutar instrucciones más sencillas. Es la arquitectura RISC o de juego de instrucciones reducido.

La idea es quitar esas instrucciones complicadas que lo hacían todo más complejo, pero que se usaban rara vez, por sólo las instrucciones necesarias para los cometidos básicos, de tal manera que la complejidad pasaba al programa (que necesitaba ahora más instrucciones, un programa más largo) para hacer esas cosas complicadas.

Sin embargo eso permitía que las cosas sencillas, que constituyen la mayor parte del programa, se ejecutasen de forma más rápida, aunque las cosas complicadas fuesen más lentas, con una ganancia neta de velocidad.

Gracias a estos tres puntales (reducción del tamaño del nodo, pipelining, pasar de CISC a RISC), se ha conseguido mantener un ritmo de evolución enorme en cuanto a la velocidad de procesamiento o potencia de cálculo.

Eso se hizo famoso con la Ley de Moore: cada dos años se dobla la potencia de cálculo.

De hecho, hace ya años que se ha pasado de 4,77MHz a más de 4GHz, una ganancia del orden de 1000 veces, sólo en cuanto a velocidad, y básicamente, gracias a la reducción de nodo.

Pero esa velocidad de 4GHz hace ya tiempo que se ha establecido como límite.

Eso implica que la Ley de Moore hace ya tiempo que se ha ‘ralentizado’. Y si no se ha parado de hecho, es porque se ha ido desarrollando el pipelining de otra forma: poniendo más cores, añadiendo redundancia en forma de hyperthreading (que es duplicando parte del procesador sin llegar a hacer un core doble), las memorias Double Data Rate (DDR) y añadiendo complejidad al diseño electrónico.

De hecho, lo primero que se encontró con ‘problemas’ de velocidad, fueron las memorias, sobre todo debido a que en ese campo, en lo que se trabajaba era en aumentar el tamaño: de mi primer PC con 256KB de DRAM, a los habituales 8 – 16 GB de DDR, la ganancia ha sido de millones, no de mil. Pero ese incremento de tamaño ha implicado el incremento de complejidad, que es, una vez más, lo que limitó la velocidad real de las memorias, a pesar de las ganancias por la reducción de nodo.

De hecho, las mejoras esperadas en la reducción de nodo hasta los 2 – 3 nm, no se van a traducir en mayor velocidad, sino sólo en mayor tamaño de memoria/menor precio por GB.

Algo similar ha ocurrido con el cambio de CISC a RISC. El aumento de complejidad de la informática hoy en día, significa que cada vez el procesador hace cosas más complejas de forma más habitual, incluso algunas de ellas de forma mucho más repetitiva. Jevons aplicado.

Eso ha derivado en el uso de HW específico para desarrollar ciertas cosas que generalmente se hacían por SW, pero tan a menudo que vale la pena gastar algo más de electrónica para eliminarlas o reducirlas del programa.

Aunque suene críptico, es fácil de entender: la CPU se pasaba mucho rato dibujando rectángulos en la pantalla, y rellenándolos de color, algo que es, desde el punto de vista algorítmico, muy simple, repetitivo, pero que consume mucho tiempo de procesamiento dado el tamaño de las pantallas (en puntos o píxeles).

Así pues, se partió en dirección opuesta a los RISC/CISC: se puso un ‘subprocesador de vídeo’ o ‘acelerador gráfico’ que no es más que electrónica específica que hace ciertas tareas muy sencillas, particulares y concretas de forma autónoma sin necesidad de utilizar preciosos ciclos de CPU. Ese marca el nacimiento de las GPU.

De la misma forma, se añadieron (y eso ya viene de los tiempos del viejo PC) subprocesadores o coprocesadores matemáticos que ejecutan operaciones que generalmente son complejas, como la raíz cuadrada, trigonometría, exponenciales, convoluciones, matemática en coma flotante, etc.

Es decir, se añade, una vez más HW específico para hacer funciones complejas (es decir, de cierta forma, se vuelve al CISC aunque el procesador principal sea RISC) que hagan esas partes largas del programa que antes hacían las instrucciones complejas de los CISC.

Además, se añaden prestaciones típicas de lo que eran DSP’s, es decir, los procesadores digitales de la señal que básicamente eran machacanúmeros, sistemas dedicados a hacer muchos cálculos matemáticos relativamente complejos (cuadrados y raíz cuadrada a menudo, aunque lo básico era sumar y multiplicar, lo que se llama operación MAC – Multiply And Accumulate), pero encima de forma cíclica, y de forma automática (dicho en jerga informática, un bucle que repite la misma operación matemática n veces). 

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Dado el enorme incremento de la complejidad, no sólo desde sus inicios, sino con su aceleración (que se está frenando) durante la primera década de este siglo, se ha hecho demasiado difícil el conocer las ‘interioridades’ de la electrónica sobre la que se trabaja.

Además, la increíble velocidad a la que se producen los cambios, en el momento en que uno llega a dominar esas particularidades, el chisme en cuestión ya está más que obsoleto. Con lo que no vale la pena llegar a profundizar en las posibilidades que trae la máquina en concreto.

Además, el incremento enooooorme de complejidad del programa/sistema, hace que lo que antes hacía un ingeniero, ahora requiera un grupo inmenso de programadores de seguir con esa filosofía.

(...)

La idea es simple: que un mismo programa se pueda ejecutar sobre varios ordenadores DIFERENTES sin que el programador necesite saber ni las particularidades ni las diferencias de dichos ordenadores.

Eso generalmente, lleva a la estandarización de funciones, interfaces, etc. En buena parte, es lo que proporcionan los sistemas operativos utilizados en los ordenadores personales (Windows, Linux, macOS, Android WebOS, etc), teléfonos móviles, hasta televisores…

Es muy práctico y tiene muchas ventajas para los desarrolladores.

Pero es sumamente ineficiente.

Por ejemplo: bajo un HAL simple y efectivo como el utilizado por el Arduino, una operación de poner a 1 e inmediatamente volver a poner a 0 un pin (para encender un LED, por ejemplo), tarda como 50 ciclos de reloj y un porrón de instrucciones. Hacer lo mismo en C, sobre el mismo procesador, pero pasándose por el forro el HAL tarda TRES ciclos de reloj, tres instrucciones. En ensamblador, el resultado es exactamente el mismo. 20X en velocidad.

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Hasta que nos estrellamos con el muro de la relatividad.

Ya he explicado que la velocidad en cuanto a MHz lleva tiempo estancada. Se ha esquivado el frenazo brusco tirando de procesamiento paralelo: aceleradores gráficos, coprocesadores, y luego, al ir empeorando la situación, el aumento de núcleos con la idea de ir repartiendo trabajo.

Ese reparto de trabajo en núcleos es un resultado obvio de la problemática expuesta del code bloating: el aumento de ‘tareas’ que se tienen que ejecutar a la vez para que todo el sistema operativo y el HAL subyacente funcionen.

Al haber tantas tareas (frente a la única del viejuno MSDOS) que ejecutar, lo habitual, lógico y lo que ha sido la respuesta, el ‘truco’ es meter más procesadores donde cada uno se encarga de alguna tarea, trabajando todos a la vez. El reparto de tareas resulta relativamente sencillo… si hay pocos núcleos.

Pero todo tiene un límite, y en lo que respecta a ordenadores personales, se está llegando ahí.

Afortunadamente, para videoconferencias, ver gatitos por internete, escribir artículos en Word, o usar el ‘complicado’ Excel para echar las cuentas de la casa, vamos mas que sobradísimos desde hace varias generaciones de sistemas operativos. Un ‘viejo’ ordenador con el Windos XP va más que sobrado. 

De hecho, se están reutilizando muchos viejos ordenadores con sistemas operativos más livianos como el Linux Mint, que permiten hacer lo mismo que los nuevos más potentes pero con muchos menos recursos. Básicamente gracias a una cosa: la simplificación de las labores y el ‘recorte de grasa’ del code bloating (en bastantes ocasiones, basado en sistemas antipiratería, de supervisión de utilización del programa – casi spyware sin llegar a serlo, etc).

Pero hay cierto campos en los que esta ineficiencia ya llega a ser prohibitiva. Hay ciertas aplicaciones donde hace falta hilar fino, muy fino, para sacar todo el jugo posible de la máquina, precisamente porque necesitan máquinas muy potentes para hacer esas cosas particulares… o porque ahora se intenta pasar esas aplicaciones que se han desarrollado en sistemas muy potentes, a sistemas mucho más ligeritos.

Me refiero a la IA y al Big Data, dos campos diferentes pero familiares entre sí.

La aparición de sistemas multiprocesadores con gran capacidad para ejecutar una misma rutina sobre gran cantidad de datos, esos mismos que se pusieron en las tarjetas gráficas para acelerar no sólo los juegos, sino los cálculos de ingeniería, ahora resultaban ser muy útiles para ejecutar redes neuronales, puesto que el algoritmo que ‘ejecuta’ la neurona es sencillo y repetitivo, de naturaleza similar (en el fondo, parece ser una rutina DSP sobre varias señales).

La IA, en el fondo es más ‘caja negra’ que casi ningún otro desarrollo informático, el summum de la abstracción.

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Volviendo a la problemática relativista, hay más puntos limitantes que complican el diseño electrónico propiamente dicho, en la parte concreta.

Todos los elementos que tienen que trabajar a gran velocidad y acoplados entre sí, como por ejemplo la CPU con la memoria, o con buses de comunicación de alta velocidad (o sea, video y red de comunicaciones) se encuentran con que a 1GHz el reloj apenas se desplaza 15 cm en un cable, 10 cm en un circuito impreso. Si subimos a 2 GHz, bajamos esta distancia a la mitad: 5cm en un circuito.

Eso implica que no podemos poner la CPU y la memoria donde nos dé la gana. Es más, todas las señales que van de uno a otro componente tienen que tener una longitud similar, y generalmente estipulada con un máximo y un mínimo.

Y eso no es todo: la alimentación sufre al mismo ritmo, pero con una intensidad mayor, lo que genera toda una ‘ciencia esotérica’ con los ‘místicos condensadores de desacoplo’, (la foto de abajo presenta los condensadores de desacoplo -marrones - y las resistencias de adaptación de impedancias – negras - , junto a un cristal de cuarzo – plateado -, del circuito de portada, visto por debajo) debido a la inestabilidad que genera en la red de alimentación la conmutación a semejante velocidad.

Es lo mismo que pasa con las grandes redes eléctricas y las renovables, sólo que a la escala adecuada: ¼ de la longitud de onda. O sea, 750Km para los 50 Hz de la red eléctrica, 2,5cm para los 2GHz de los procesadores de nuestros teléfonos móviles u ordenadores personales.

Este ‘inconveniente’ puede producir que los rápidos y caprichosos cambios que introducen las renovables causen un gran apagón en toda Europa, razón por la que Austria, Alemania y Suiza avisan del problema.

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Los límites de las energías renovables

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...

 

La lavadora de medianoche (V)

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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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Un importante límite físico

"Los rusos utilizan corriente continua en líneas de alta tensión". Esto contó una vez de pasada mi tío Gonzalo, hace más de sesenta años. Era experto en temas de electrónica y electrotecnia, puso a punto centros emisores de RNE y radares y balizamientos por los aeropuertos de toda España y de las entonces llamadas "provincias africanas"; por eso casi siempre estaba de viaje y pasaba poco tiempo en casa. Persona entrañable, le dedico este recuerdo.

Recuerdo que no me habría vuelto a la memoria sin la lectura de una serie de artículos en el blog The Oil Crash, concretamente el cuarto de la serie La lavadora de medianoche.

Allí encontré la razón del transporte de energía a larga distancia evitando la corriente alterna. Y la razón está en los límites que establece la velocidad de la luz, en función de la longitud de la línea. Cambiando la escala macro por la micro, hay más: esta misma razón limita la velocidad de los ordenadores, concretamente la del reloj que controla la velocidad de los impulsos. No puede enviarse un bit en un tiempo más corto que el que marca ese ciclo de reloj.

¿Qué tiene esto que ver con la velocidad de la luz? Trataré de explicarlo brevemente. La velocidad de transmisión de la corriente no puede ser mayor que la velocidad de la luz, la de todas las ondas electromagnéticas. La electricidad es producida en casi todos los casos por rotación, de forma que cada vuelta del alternador produce una onda, que en una primera aproximación supondremos que se transmite por los cables a esa velocidad. Con una vuelta por segundo, la onda producida tendría una longitud de 300 000 Km. Si gira 50 veces en ese tiempo, su longitud sería de 6 000 Km.

Onda de corriente alterna

La corriente que producen los alternadores es un flujo de electrones que se invierte a cada vuelta en un movimiento ondulatorio. En este movimiento, la velocidad que adquieren los electrones no es la de la onda, pues apenas es del orden de 1 mm por segundo: un mareo de ida y vuelta de unas pocas micras, dado que habitualmente la velocidad de rotación es de cincuenta ciclos por segundo (hercios). El reloj del ordenador es mucho más rápido, del orden de mil millones de veces por segundo.

Según esto, el periodo (duración de una onda), inverso de la frecuencia (número de ondas por unidad de tiempo) es para el alternador de veinte milisegundos (0,020 s) y para el ordenador del orden de un nanosegundo (0,000 000 001 s).

En estos tiempos la corriente recorrería respectivamente 6000 km de cable de alta tensión y 30 cm en los circuitos de un ordenador. Tales serían las respectivas longitudes de onda. Si la transmisión está limitada entre un punto de emisión y otro de recepción, cuando la longitud de la línea coincida con la longitud de onda o sea múltiplo de ella, se producirán ondas estacionarias que pueden provocar interferencias destructivas.

Ondas estacionarias

"En transmisión de ondas de radio, las ondas estacionarias en las líneas de transmisión aparecen por las reflexiones que se producen en los puntos en que hay desadaptación de impedancias.

Son sumamente peligrosas para la integridad física de los componentes, debido a la energía que retorna hacia los dispositivos emisores. Una onda estacionaria de amplitud excesiva en la línea de transmisión, podría incluso destruir al equipo transmisor."

Onda estacionaria en una cuerda. Los puntos rojos representan los nodos de la onda

Comparando esto con los efectos de la corriente alterna en los músculos se podría hablar de tetanización.

La corriente alterna tiene estos efectos por el cambio de sentido que se produce en la circulación electrónica cada media vuelta. Para evitarlos se puede sustituir el alternador por una dinamo, que cada media vuelta cambia el sentido de la corriente. Sin embargo lo habitual en las redes es utilizar alternadores que además integran tres circuitos para transmitir, con desfase de 120º (un tercio de vuelta), corriente trifásica.

6000 km es una distancia considerable, que introduciría el riesgos de interferencia destructiva en transporte a larga distancia. Sin embargo, el cálculo se ha hecho con la velocidad de la luz en el vacío, y cuando las ondas electromagnéticas se desplazan en un medio material su velocidad disminuye. Para aquellos materiales transparentes a la luz visible la velocidad resulta de dividirla por su índice de refracción. Para el diamante, seguramente el cristal de mayor índice de refracción (de ahí su brillo y su precio), a su índice de 2,4 corresponde una velocidad de unos 124 000 km/s.

No sé si se puede hablar de índice de refracción para metales opacos, pero la velocidad de las ondas electromagnéticas debe ser en su seno bastante menor menor. Lo cierto es que los problemas en las redes eléctricas surgen a partir de unos 600 km. Con esta limitación es problemático el transporte de corriente alterna a mayores distancias. La península ibérica resulta ser prácticamente una isla energética, y esto es lo que ha justificado la excepción ibérica.

Claro que, como el problema se presenta para la corriente alterna, que es la que se produce primariamente, si la convertimos en continua no se presenta este riesgo de "efecto rebote" de la onda, y los electroncitos, en lugar de su corto baile de San Vito, pueden seguir su lenta y sincopada cabalgata para llegar a su destino, allá por el año 3000.

Y ahí debe estar el intríngulis de aquello que me contaba mi querido tío. Porque claro ¡Siberia es tan grande!

La conversión de alterna a continua requiere el empleo del rectificador. Este aparatejo da media vuelta a la mitad de la onda y de este modo desaparece el inoportuno rebote. Aunque luego, si se quiere insuflar en otro sistema alterno y trifásico habrá que invertir el proceso, todo ello con cierta complicación tecnológica y grave pérdida de eficiencia energética.

Rectificador

Este tipo de rectificador se utiliza en numerosos aparatos electrónicos. Ignoro cómo pueden ser los de gran escala, sin duda necesarios para la transformación en los nodos de las grandes redes de alta tensión, pero el principio de su funcionamiento es con seguridad el mismo.

El rectificador de media onda aprovecha únicamente la mitad "de ida":

Rectificador de media onda

Algo más complejo y de mejor aprovechamiento es el de onda completa:

Rectificador de onda completa

Quedan por explicar las repercusiones de estas limitaciones relativistas introducen en la escala "macro" de las redes eléctricas y en la "micro" de la computación. Pero eso será otro día...