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Tecnología para la estabilidad de redes eléctricas de potencia

La evolución hacia redes eléctricas con alta participación de fuentes de energía renovable plantea nuevos desafíos que solo pueden abordarse mediante avances tecnológicos significativos. En este contexto, el Sistema de Control Distribuido (DCS) de Emerson, Ovation, desempeña un papel fundamental al contrarrestar las variaciones de frecuencia y al mismo tiempo supervisar y controlar la generación de energía eléctrica.

Kathya Santoyo

Al contar con una base instalada de 1.4 millones de megawatts en todo el mundo, Emerson se ubica en una posición estratégica para comprender las complejidades y tendencias en la producción y demanda de energía eléctrica a nivel global. Esta participación en los mercados energéticos alrededor del mundo le confiere a la empresa una perspectiva valiosa para interpretar y anticipar los nuevos retos del panorama energético en su transición a la descarbonización y las fuentes renovables.

En exclusiva para Global Energy, Bob Yeager, presidente de Emerson Power & Water Solutions, destacó que su sistema de control distribuido (DCS), Ovation, automatiza aproximadamente el 20% de la capacidad generación global, que asciende a 7 millones de megawatts. Es así que este sistema juega un papel crucial en el monitoreo y control de centrales de generación de energía eléctrica de todo tipo. Cabe mencionar que la proporción en Estados Unidos es aún más importante, pues Ovation gestiona más del 50% de la capacidad instalada del país.

Asimismo, coincide en que la descarbonización y la adopción de fuentes de energía renovable están transformando rápidamente la matriz energética a nivel global. Este cambio, liderado por Europa, se ha extendido a Asia, América Latina y Estados Unidos, derivando tanto en desafíos como en oportunidades. Yeager destaca la adaptación de Emerson a este cambio de paradigma.

“Hemos realizado varias adquisiciones de empresas, que al sumarlas al portafolio ya existente de Emerson, nos han proporcionado una base instalada significativa en energía eólica, solar e hidroeléctrica. Por eso hemos introducido nuevas soluciones para monitorear y controlar esos recursos renovables a nivel mundial”, detalló.

Es así que la empresa hoy gestiona más de 65,000 turbinas eólicas instaladas, múltiples plantas solares fotovoltaicas, así como más de 3,500 instalaciones hidroeléctricas en todo el mundo. Al respecto, explicó que a diferencia de las centrales térmicas, las fuentes renovables representan nuevos retos. Para entenderlos, Yeager explica que la redes eléctricas alrededor del mundo operan a diferentes frecuencias, por ejemplo 60 Hertz en el continente americano y 50 Hertz en Europa y Asia.

“La estabilidad de la red está intimamente relacionada con la frecuencia, y aquí es donde surge el primer desafío al incorporar fuentes de energía renovable: la introducción de fuentes como solar y eólica crean variaciones de frecuencia. Es algo más complicado, pero podemos indicar que el mayor efecto es debido a la falta de inercia, que tiene un efecto de amortiguamiento positivo en la red, un elemento crucial presente en las plantas de generación tradicionales, y que aporta a tener una red eléctrica estable. En términos generales, la inercia es la conversión instantánea de energía mecánica -a través de la reserva rodante- a potencia eléctrica”.

Aquí es donde entra en juego Ovation, tecnología que interviene para contrarrestar estas variaciones: no solo supervisa la generación eléctrica, sino que también mantiene una constante vigilancia sobre la frecuencia, aportando estabiliad a la red. Cuando se detectan fluctuaciones, el sistema ajusta rápidamente el control de velocidad de las unidades de generación tradicionales para estabilizar la red, garantizando una frecuencia constante y evitando posibles fallas y apagones.

En términos generales, Emerson Ovation es responsable de una gran proporción de la estabilidad de las redes alrededor del mundo. “Tomemos como ejemplo la red eléctrica de California en Estados Unidos. Si en este momento apagáramos todos nuestros sistemas en esa zona, existe una alta probabilidad de que todo Estados Unidos se quedaría sin energía eléctrica. Esto se debe no solo al efecto en la frecuencia, sino también al hecho de que muchas de las centrales operadas con nuestras soluciones están a carga base. Esto crearía un efecto de perturbación en la red, y restablecer la generación y la red no es una tarea sencilla; se recurre a varias estrategias, como el arranque negro», explicó.

Cuando se incorporan energías renovables a la red, especialmente en el caso de la generación eólica,y fotovoltaica, surge el  desafío de la falta de inercia. “En Emerson empleamos la misma plataforma para generación tradicional que para un parque solar y eólico; particularmente para el sector eólico hemos logrado aprovechar datos críticos de los aerogeneradores, una capacidad que supera la de los fabricantes originales. Ovation se convierte así en una pieza clave, permitiéndonos extraer una cantidad de datos significativamente mayor”, explica.

Esta capacidad no solo facilita a nuestros clientes un despacho óptimo de las energías renovables en su flota, sino que también permite controlar de manera coordinada sus fuentes térmicas tradicionales para mantener una frecuencia estable, integrando eficientemente todos estos datos. La importancia de esto radica en la vulnerabilidad de muchos aerogeneradores a factores como la vibración y los fallos, logrando con nuestra solución lo que llamanos derreateo dinámico, protegiendo estos grandes activos.

“Un aerogenerador de 14 o 15 megawatts supera la altura de un edificio de 10 pisos. Estos dispositivos son altamente sensibles a variaciones abruptas en la velocidad del viento. Nuestro software desempeña un papel fundamental al controlar y prevenir daños ante vientos excepcionalmente fuertes, permitiéndole al cliente encontrar el valor de potencia óptimo que le permita preservar la vida útil del aerogenerador. Así, ajustamos la generación de manera óptima, asegurando la eficiencia y durabilidad del equipo a largo plazo”.

Baterías agregan estabilidad a la red

Otra consideración es que actualmente, muchos parques solares y eólicos se están equipando con grandes baterías. El presidente de Emerson Power & Water Solutions comenta que aunque su costo sigue siendo elevado, recientemente completaron la instalación de la batería más grande del mundo en California, con una capacidad de 1.3 gigawatts.

“La razón principal detrás de la combinación de baterías con fuentes de generación eólica y solar radica en que pueden proporcionar control de frecuencia ante oscilaciones de potencia. Aunque no equivalen a la inercia de una gran turbina, las baterías ofrecen estabilidad y control de frecuencia que complementan la generación renovable”.

Es así que muchos sitios en todo el mundo, al construir nuevas instalaciones eólicas y solares, también están instalando grandes bancos de baterías para controlar la frecuencia. Bob Yeager agregó que el software Emerson tiene la capacidad de monitorear la frecuencia y, en caso de variaciones, las baterías pueden intervenir para ofrecer una respuesta precisa hasta en centésimas de Hertzios. De este modo, se corrigen eficazmente las variaciones de frecuencia para mantener la estabilidad de la red, ofreciendo la tan importante relación frecuencia-megawatts generados en el sector renovable.

Ciclo Combinado Sostenible: Hidrógeno en la Generación de Energía

Por otro lado, Yeager comenta que Emerson colabora con Mitsubishi Power en la construcción de la mayor instalación de hidrógeno verde del mundo, ubicada en Utah. Este proyecto implica el uso de grandes cavernas de almacenamiento de hidrógeno en depósitos de sal subterráneos, junto con una planta de ciclo combinado que utiliza una mezcla de combustible tradicional con 30% de hidrógeno verde y cuyos electrolizadores están controlados por un sistema Ovation de Emerson.

Este proyecto consiste en un ciclo combinado en arreglo 2×1; es decir, cuenta con dos turbinas de gas y una de vapor, junto con sus calderas recuperadoras de vapor para generar en total alrededor de 850 megawatts. Esta es una planta de ciclo combinado de gran capacidad, que incorpora nueva tecnología de turbinas, las cuales pueden operar no solo con gas natural, sino que también lo pueden hacer con la mencionada combinación de gas natural e hidrógeno.

El ejecutivo explica la importancia de la mezcla de hidrógeno y gas natural en las turbinas de gas de nueva generación. Emerson es responsable en este caso del control de la producción de hidrógeno mediante electrolizadores, el almacenamiento en cavernas de sal y su uso en la generación de energía. Este enfoque no solo busca maximizar la eficiencia, sino también proporcionar una solución sostenible que contribuya a la estabilidad de la red.

“Actualmente se está trabajando en tecnología de turbinas de gas para aumentar esa mezcla y pasar del 30% hasta el 100% de hidrógeno, tal vez esto sea posible en 10 años. La idea es que, en momentos de baja demanda, se utilicen los excedentes de energía renovable, como los provenientes de fuentes  eólicas y solares, para proporcionar electricidad a los electrolizadores y así producir hidrógeno verde. Luego, cuando sea necesario, dicho hidrógeno se utilizará en estas turbinas de gas, y de esta manera el ciclo será más limpio”.

El Futuro de Emerson y la Evolución de las Redes

A medida que el panorama energético evoluciona, el enfoque de Emerson en el futuro se centra en abordar los desafíos complejos y las oportunidades dentro del sector eléctrico. El presidente de Emerson Power & Water Solutions comparte cómo la adición de generación renovable distribuida está transformando la dinámica de la red, generando flujos bidireccionales de electricidad. Para abordar estos desafíos, Emerson está llevando su experiencia en control de generación al «grid edge«, o el extremo de la red, es decir, las subestaciones de distribución.

Al respecto adelantó que la próxima gran iniciativa de Emerson es el desarrollo de Grid Edge Control. Este desarrollo implica llevar Ovation, con sus alrededor de 40 millones de líneas de código, al otro extremo de la red. Aquí, los controladores de la marca supervisarán y controlarán la tensión y frecuencia en el lado de la distribución, colaborando así con las subestaciones de media y alta tensión, coordinando la generación desde el extremo de la distribución.

Yeager comparte que ya han identificado proyectos piloto en Estados Unidos para implementar Grid Edge Control. Además, confirma que están planeando expandir esta iniciativa a nivel internacional, incluyendo México, donde ya tienen una sólida trayectoria con la Comisión Federal de Electricidad (CFE).

Finalmente, el ejecutivo subraya que los desafíos que enfrentan las redes eléctricas son globales; para resolverlos, destaca la importancia del hardware y software de Emerson con el objetivo de mantener la estabilidad de la red, incluso en países como China (mayor generador de energía del mundo), donde están expandiendo tanto sus capacidades en generación térmica como en renovable.

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