Mejora de la red eléctrica de EE. UU.: mitigación de vulnerabilidades y mejora de la operación

May 17, 2023

La red eléctrica de EE. UU. tiene muchas vulnerabilidades, pero las compañías eléctricas, con el apoyo adicional del gobierno, están invirtiendo en el sistema y mejorando su funcionamiento a través de nuevas tecnologías innovadoras.

Podría decirse que la red de energía eléctrica es la infraestructura individual más importante que existe en los EE. UU. Casi todo en el país depende de tener electricidad confiable para funcionar correctamente. El gobierno, las industrias, las entidades comerciales, los equipos de respuesta a emergencias, las operaciones militares y más, se verían gravemente perjudicados sin electricidad.

El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha informado que más del 70 % de las líneas de transmisión de energía y los transformadores del país tienen más de 25 años (Figura 1). Ahí radica una de las mayores vulnerabilidades, ya que los equipos no duran para siempre. Los componentes más antiguos son más propensos a fallar.

Muchos componentes de la red están expuestos a entornos hostiles. Con el tiempo, los factores ambientales, como los cambios de temperatura, la humedad y la exposición a la intemperie, así como otras tensiones y tensiones en el sistema, pueden causar desgaste y roturas, lo que lleva a averías. El aislamiento puede debilitarse y los componentes metálicos pueden corroerse, lo que hace que ambos sean más propensos a fallar. Cuanto más tiempo hayan estado en servicio los transformadores, interruptores y cables, es más probable que hayan experimentado algún tipo de sobrecarga, lo que puede causar sobrecalentamiento y daños. Esto también puede provocar fallas, especialmente cuando los componentes funcionan más allá de los parámetros de diseño durante períodos prolongados.

El gobierno de los Estados Unidos reconoce que la red necesita atención. “Los eventos climáticos extremos como Dixie Wildfire, Hurricane Ida y Texas Freeze 2021 han dejado en claro que la infraestructura energética existente de Estados Unidos no soportará los impactos continuos de los eventos climáticos extremos provocados por el cambio climático”, dijo el DOE. Los componentes envejecidos requieren reemplazo.

Mientras tanto, las empresas de servicios públicos también deben expandir los sistemas para dar cuenta del crecimiento esperado. El DOE, citando estimaciones independientes, espera que los sistemas de transmisión de electricidad de EE. UU. aumenten en un 60 % para 2030, y dijo que es posible que la red deba triplicar su tamaño para 2050. Gran parte del crecimiento será el resultado de la electrificación generalizada, incluso en el sector del transporte.

"Con más demanda de electricidad y más funciones vitales que dependen de un suministro confiable, la red está cambiando y necesita poder generar y distribuir mucha más energía que en el pasado", dijo Kumar Chandran, director senior de Estrategia comercial con S&C Electric Co., dijo a POWER. "Al mismo tiempo, el aumento de la frecuencia y la intensidad de las tormentas y otros fenómenos meteorológicos representa una gran amenaza para la red. La parte de distribución de la red, que tiene una automatización mínima, es especialmente vulnerable a impactos significativos durante los fenómenos meteorológicos y, posteriormente, cuando se necesita un tiempo considerable para reconstruir la infraestructura dañada".

En un artículo publicado hace varios años por The Bridge, una publicación de la Academia Nacional de Ingeniería, Theodore U. Marston, director de Marston Consulting, escribió: "El desafío general para el sistema de energía de EE. UU. es cómo mantener o reemplazar la infraestructura obsoleta, dada la el diverso conjunto de propietarios/operadores y mecanismos de financiamiento A diferencia del sector de alta tecnología, donde la rotación de tecnologías se mide en meses y se caracteriza por una alta agilidad y márgenes de utilidad potencialmente altos, el sistema eléctrico se caracteriza por una rotación de capital social tasa medida en décadas, baja agilidad y pequeños márgenes de beneficio regulados. El nexo exitoso de estos sectores tan diferentes requiere una estrecha cooperación".

Se ha logrado mucho desde que se publicó el artículo de Marston. El Edison Electric Institute (EEI), una asociación que representa a todas las empresas eléctricas estadounidenses propiedad de inversores, informa que las empresas eléctricas han invertido más de 1 billón de dólares en infraestructura energética crítica durante la última década. EEI afirma que las compañías eléctricas gastaron más de $ 154 mil millones solo en 2022 para hacer que la red sea "más fuerte, más inteligente, más limpia, más dinámica y más segura". También dice que las empresas invirtieron casi $ 30 mil millones en 2022 en "iniciativas de adaptación, fortalecimiento y resiliencia (AHR)" para fortalecer la infraestructura de transmisión y distribución de la nación.

EEI explica que AHR implica más que solo la capacidad de recuperarse de eventos climáticos extremos. También "implica abordar riesgos dinámicos y potencialmente impactantes anticipando, resistiendo, recuperándose y/o adaptándose a una amplia variedad de amenazas, que incluyen clima extremo, incendios forestales, terremotos y ataques cibernéticos o de seguridad física".

En el análisis de Marston, dividió las amenazas en "amenazas naturales o ambientales" y "amenazas relacionadas con los humanos". Sugirió que muchas de las amenazas naturales o ambientales, incluidos huracanes/vientos extremos, tornados, sequías, tormentas de invierno/hielo/nieve, calor extremo/olas de calor e incendios forestales, aumentarían con el cambio climático. Entre las otras amenazas naturales o ambientales que citó, Marston dijo que los terremotos podrían aumentar en algunas áreas debido a las actividades locales, como el fracking, pero no vio ninguna razón para que aumente la amenaza que representan las tormentas geomagnéticas o la vida silvestre y la vegetación. De las amenazas relacionadas con los humanos, Marston predijo que los ataques cibernéticos, el sabotaje electromagnético y la falla del equipo debido a la edad podrían aumentar en el futuro, mientras que no vio ninguna base para los cambios en la frecuencia de los ataques físicos.

La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (ASCE, por sus siglas en inglés) publicó un Informe de la infraestructura de los Estados Unidos en 2021. En su informe, la ASCE evaluó 17 categorías de infraestructura, incluida la energía, así como elementos como puentes, represas y carreteras, utilizando una A– Sistema de calificación estilo escuela F. La evaluación integral de la infraestructura energética de ASCE, que incluye transmisión y distribución, así como inversiones en tuberías, resultó en una calificación de C– en ese momento. En particular, la calificación fue una mejora en comparación con el informe anterior de ASCE, completado en 2017, cuando la infraestructura energética recibió una calificación de D+.

"Las empresas de servicios públicos están tomando medidas proactivas para fortalecer la red eléctrica a través de medidas de resiliencia. Sin embargo, el clima sigue siendo una amenaza creciente", dice el informe de la ASCE. "[L]a infraestructura de distribución tiene problemas con la confiabilidad, con el 92 % de todos los cortes que ocurren en estos segmentos. En los próximos años, se necesitará infraestructura adicional de transmisión y distribución, planificación inteligente y confiabilidad mejorada para adaptarse al panorama energético cambiante, a medida que la entrega se vuelve crecen las distribuidas y las renovables”.

"La red de hoy necesita evolucionar para satisfacer las demandas del mañana. Afortunadamente, con una inversión proactiva y una planificación cuidadosa, es posible una red más confiable, resistente y reforzada que incorpore fuentes de energía renovable", dijo Chandran de S&C Electric.

Chandran predice que el sistema de distribución eléctrica de EE. UU. cambiará mucho en los próximos años. "Dentro de unos años, cuando miremos hacia 2023, nos daremos cuenta de que el uso de la parte de distribución de la red cambió drásticamente. Evolucionó de un sistema de entrega de flujo de energía unidireccional a un sistema eléctrico que mantiene la mayor cantidad de electricidad conectados durante los principales eventos climáticos, para que luego las reparaciones sean más rápidas y específicas. Dado que todos los consumidores dependen mucho más de la electricidad, esta confiabilidad y resistencia son críticas", dijo.

Chandran dijo que es necesario un enfoque de todo el sistema y la inversión en tecnología innovadora para la distribución de energía para reducir la vulnerabilidad. Entre las soluciones que recomendó estaban la tecnología PulseClosing (Figura 1), la automatización lateral y la detección y restauración de fallas subterráneas.

"Clientes como Florida Power and Light (FPL), Oncor y muchos otros han invertido mucho en tecnologías para fortalecer la red y, como resultado, han visto reducciones significativas en los tiempos de restauración de tormentas", dijo Chandran. "Estas soluciones brindan una gran segmentación del 'alimentador' desde la subestación con automatización lateral, subterránea o aérea, hasta el cliente final".

Para sacar el máximo provecho de su inversión, las empresas con presupuestos limitados deben comenzar implementando la tecnología de automatización lateral. "El 92 % de las interrupciones del servicio eléctrico ocurren en la porción de distribución de la red, y la mayoría de ellas ocurren en los laterales (líneas vecinales) que están protegidas por un fusible", explicó Chandran. "La tecnología más nueva reducirá significativamente estas interrupciones. Al reemplazar los fusibles con automatización, pueden reducir la frecuencia y la duración de los cortes. Una empresa de servicios públicos del sur observó una reducción del 74 % en las interrupciones sostenidas en los lugares donde se implementó esta tecnología".

Chandran dijo que FPL ha estado invirtiendo mucho en la construcción de una red más fuerte e inteligente durante décadas, y cree que los beneficios han superado con creces los costos. Si bien ninguna red eléctrica es a prueba de huracanes, las evaluaciones detalladas han confirmado la capacidad de recuperación de la red eléctrica de FPL resistente a tormentas. "Después del huracán Ian el otoño pasado, FPL restauró la energía a dos tercios de sus clientes después de solo un día completo", dijo Chandran. "Solo ocho días después de que la tormenta de alto nivel abandonara el estado, FPL básicamente pudo restaurar la energía a todos sus más de 2.1 millones de clientes afectados por Ian".

En abril, la Coalición WATT (Trabajando por Tecnologías de Transmisión Avanzadas), una coalición de empresas interesadas en brindar soluciones tecnológicas al sistema de transmisión eléctrica de EE. UU. para mejorar la confiabilidad y la eficiencia, publicó un documento de 30 páginas de The Brattle Group titulado Building a Better Grid. : Cómo las tecnologías de mejora de la red complementan los desarrollos de transmisión. La investigación consideró tres tecnologías de mejora de la red (GET): Dynamic Line Ratings (DLR), Sistemas flexibles de transmisión de corriente alterna (FACTS) y Control de topología de transmisión.

El documento explica que DLR es una aplicación representativa que trata de abordar mejor la capacidad de transferencia de líneas individuales. Mientras tanto, FACTS, una categoría común de dispositivos basados ​​en electrónica de potencia que permiten un control flexible y dinámico de los sistemas de transmisión, son ejemplos de soluciones de hardware que se enfocan en controlar el flujo y son funcionalmente similares a los transformadores de cambio de fase, también conocidos como transformadores de cambio de fase. reguladores de ángulo Por último, Transmission Topology Control es "una elegante alternativa de software a este hardware de control de flujo: controla el flujo ajustando la topología del sistema (por ejemplo, abriendo o cerrando los disyuntores) y, por lo tanto, cambiando la distribución de flujo definida por la Ley de Kirchhoff para alcanzar los objetivos operativos".

El documento señala: "Estas tecnologías representan un nuevo modelo para aumentar la infraestructura de la red al desbloquear capacidad adicional en el sistema de transmisión existente, y se pueden desarrollar mucho más rápido y de manera modular con menos arrepentimientos a una pequeña fracción del costo de los proyectos de transmisión tradicionales. Además, complementan las construcciones de transmisión al mejorar la utilidad de la infraestructura de transmisión en lugar de eliminarla o reemplazarla".

La investigación cuantificó cómo los GET reducen los costos y mejoran la planificación y las operaciones del sistema de transmisión en todas las etapas del desarrollo de la transmisión. La Coalición WATT dijo que los GET pueden reducir la congestión en un 40% o más incluso antes de que comiencen los proyectos de construcción. Durante la construcción, las interrupciones se pueden "evitar o mejorar, con reducciones similares en los costos de congestión del 40% o más", dijo. Luego, después de la construcción, la utilización de las nuevas líneas puede aumentar en un 16 %, lo que mejora la relación costo-beneficio de las nuevas líneas.

"La capacidad de transmisión insuficiente es el principal obstáculo para la transición energética", dijo Julia Selker, directora ejecutiva de WATT Coalition, en un comunicado emitido a POWER. "Las tecnologías de mejora de la red y las nuevas líneas de transmisión deben implementarse juntas para lograr la expansión necesaria del sistema a la velocidad más alta y al costo más bajo. Cuanto más rápido y estratégicamente Estados Unidos pueda aumentar la capacidad de transmisión, menor será el costo para el planeta y los contribuyentes". ."

—Aaron Larson es el editor ejecutivo de POWER.

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