The ultimate supply chains. The electric grid is about to be transformed
The Economist [2023], "The ultimate supply chains. The electric grid is about to be transformed", The Economist, London, 1 de abril, https://www.economist.com/asia/2023/03/28/the-global-rice-crisis
La manera arcaica pero funcional con la que se distribuye la energía eléctrica a cada hogar se lleva a cabo a través de una red eléctrica que se traduce en un gran complejo industrial conformado por varias turbinas y calderas; las turbinas son impulsadas por vapor a alta presión y temperatura (1 100 °C) que se produce normalmente por la quema de carbón en las calderas.
No obstante, en medio de la transición energética, parece que algunas centrales eléctricas, como la de Yorkshire en Reino Unido están cambiando de materia prima para alimentar a las calderas que calientan el agua para convertirla en vapor. Esta central eléctrica, también conocida como Drax (dato crucial 1), ahora utiliza a la biomasa puesto que los directivos de la planta ven la des-carbonización como una oportunidad para que el mundo cambie a los combustibles fósiles en favor de la electricidad que también puede ser producida por energías alternativas limpias e incluso baratas. Este cambio impulsaría la utilización de la energía eléctrica para mover otras máquinas y aparatos desde uso cotidiano hasta industriales.
Llevar a cabo una des-materialización, es decir, abandonar los recursos naturales y minerales, en favor de energías como la solar y la eólica —y en este sentido para producir energía eléctrica—no es una tarea compleja pero tampoco llena las expectativas utópicas pues no dejará de ser (aún) un proceso muy físico.
La manera en que un aparato recibe la energía eléctrica funciona de la siguiente manera:
1) La energía para mover a las turbinas es un proceso continuo. El carbón o la biomasa calienta el agua contenida en la caldera a través de la generación de una llama con lo que finalmente se produce el vapor; ese vapor sirve como energía cinética para que la turbina pueda moverse.
2) Los ejes de transmisión de las turbinas hacen girar potentes imanes cubiertos por los cables de cobre de un generador eléctrico.
3) El campo magnético generado por los imanes empuja y tira de los electrones en los cables del generador haciéndolos vibrar con la energía producida.
4) Este acoplamiento electromagnético purga energía cinética de la turbina que inmediatamente se repone con el vapor que es alimentado a alta presión de manera continua. Dicha purga se traduce en un diferencial de energía que está disponible para cualquier cosa que se conecte al generador en un circuito eléctrico (dato crucial 3).
El uso de los transformadores (aquella infraestructura tan peculiar de postes y subestaciones que se conocen hoy en día) fue a causa de los problemas que se generaron por los altos voltajes que recibían los consumidores en sus hogares puesto que anteriormente la población recibía la energía de una central o generador en específico; las frecuencias a las que operaba el generador estaban estandarizadas a 50 Hz (60 Hz en otros lugares) para que las líneas de alto voltaje pudieran subsistir con las corrientes de otros generadores. Los transformadores solucionaron el problema ya que solo funcionaban en sistemas de corriente alterna (CA) con lo que conseguían reducir el voltaje alto a uno más bajo.
Es menester mencionar que la infraestructura actual de las centrales eléctricas opera bajo un principio fundamental: el suministro debe coincidir con la demanda en tiempo real. Dicho de otra manera, la cantidad de energía que utilizan por ejemplo, los electrodomésticos, debe ser igual a la misma cantidad que se genera en las centrales eléctricas y por lo tanto necesitan de supervisión constante para que no se genere un desequilibrio.
Esta máquina mata carbono
Los operadores de las centrales eléctricas no podían confiar en las estadísticas sobre los patrones de uso en los hogares, es por eso que se decidió aumentar el tamaño de la cuadricula (parte fundamental de la infraestructura eléctrica para el suministro de energía) porque entre más grandes los generadores y las cuadrículas, mayores cargas y demanda satisfecha.
Pero en plena transición energética, la demanda de electricidad tiene que adaptarse a formas renovables de energía tales como la solar y la eólica (dato crucial 5). Esto es un reto para satisfacer tal demanda porque significa crear conexiones nuevas y mayores dado que la tasa de retorno energético de las energías no fósiles son menores que las fósiles y las turbinas necesitan seguir operando a la misma capacidad (dato crucial 6). Además, tendrán que cambiar paulatinamente los lugares para la generación de energía ya que las energías renovables necesitan de un mayor espacio y una nueva gestión de la demanda; eso implica expandir y crear muchas más redes para poder almacenar la energía. Aunado a esto, las redes tienen que crecer en capacidad debido al aumento de la demanda considerando que la cantidad de aparatos y máquinas que ahora utilizan combustibles fósiles se disparará en favor de la electricidad (dato crucial 7). El último reto aunque también oportunidad, implica cambiar la manera en generar el vapor para mover a las turbinas; en el corto plazo significa una mayor inversión pero en el largo plazo el motivo para diseñar un sistema más económico.
Ya existe la tecnología para hacer frente tales retos aunque requieren de mucha inversión por lo que añadiría un costo extra a la capacidad de generación (dato crucial 8). Aun así se plantea una revolución en la aplicación de la electrónica de estado sólido (se ocupa de los circuitos construidos totalmente de material sólido y en los que los electrones están confinados enteramente dentro del material sólido) y los sistemas de potencia (utilizada para diferenciar el tipo de aplicación que se da a los dispositivos electrónicos para transformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos) para generar circuitos de corriente continua de alto voltaje y así facilitar la conexión de las redes.
Por último, para construir toda esta infraestructura es necesario que los gobiernos y sociedad cooperen en la creación de un sistema nuevo y des-carbonizado. Se sugiere que puede incluso ocurrir una descentralización en caso de que la transición se vea obstaculizada por lo que puede surgir una oportunidad (como efecto adyacente) para llevar la electricidad a una mayor cantidad de personas(dato crucial 9).
1) La sala de turbinas de Drax consta de seis máquinas regidas por la magnitud física conocida como momento angular que se traduce en artefactos masivos y complejos de 2 800 toneladas y 28 subconjuntos de turbinas que giran sobre sus ejes 3 000 veces por minuto.
2) Cuando enciende una lavadora, está conectando a una de las máquinas más grandes construidas por el ser humano: la red eléctrica. La lavadora funciona porque está conectada gracias al electromagnetismo y a una planta de energía a kilómetros de distancia.
3) Para Drax ese circuito eléctrico es la red nacional de Gran Bretaña. Los 50 ciclos por segundo (50hz) de energía de corriente alterna (CA) disponible en casi todos los enchufes del país son creación de Drax y otras centrales eléctricas. Sus pulsaciones unen los generadores que lo alimentan con todos los dispositivos conectados a este en una sola máquina.
4) Las rejillas permitieron la fundición de aluminio, y por tanto la construcción de aviones que Estados Unidos masificó durante la Segunda guerra mundial. Además permitieron economías de escala y geografía en la generación.
5) En la década de 1960 tenía sentido construir grandes centrales eléctricas —como la británica Drax— junto a un yacimiento de carbón.
6) En la actualidad 62% de la energía entregada en forma de electricidad proviene de combustibles fósiles.
7) La electricidad representa solo 20% del consumo mundial de energía actual. No obstante, la firma tecnológica Hitachi Energy estima que para 2050 el mundo necesitará 4 veces más generación de electricidad que la que demandada hoy y 3 veces más la capacidad de transmisión.
8) Un estudio reciente de la Comisión de Transiciones Energéticas descubrió que se deben gastar 1.1 billones de dólares en la red cada año hasta 2050 si el mundo quiere alcanzar el objetivo de cero neto de emisiones.
9) Aproximadamente 1 000 millones de personas (la mayoría de África) en la actualidad carecen del acceso a la electricidad. En este sentido las energías renovables locales pueden brindarles algunas de sus ventajas más rápidamente que las conexiones de red.
10) La gráfica 1 muestra un pronóstico de la demanda de electricidad global hacia el año 2050 para tres escenarios: cero neto, compromisos anunciados y políticas establecidas.
Si el consumo actual de energía eléctrica se estima aproximadamente en 20%, bajo cualquier escenario el consumo incrementará en un rango de cerca de 28-52%.
