Caltech traza el rumbo hacia una red eléctrica verde

La red de energía de California, una maravilla de la ingeniería hace 150 años, está a punto de ser renovada. Ahora, gracias a un grupo interdisciplinario de investigadores, Caltech está trabajando para transformar los sistemas de energía mediante el desarrollo de una “red inteligente”: un sistema flexible, receptivo y eficiente que incorpora fuentes de energía renovables mientras satisface la creciente demanda de energía.

Los californianos experimentan cada vez más los efectos del cambio climático, desde la sequía y la escasez de agua hasta el calor extremo. Estos desafíos resaltan la necesidad urgente de pasar de los combustibles fósiles que emiten gases de efecto invernadero a fuentes de energía renovables como la eólica y la solar. En 2018, California se comprometió a suministrar a los clientes de electricidad fuentes de energía 100 % renovables y sin emisiones de carbono para 2045.

Un paso crucial en esa transición es la reestructuración de la red eléctrica, la complicada red de hardware y software que lleva la electricidad a nuestras puertas. Con el apoyo de socios públicos y privados, los ingenieros, economistas, matemáticos e informáticos de Caltech están diseñando y probando los fundamentos de la red del mañana. Sus avances incluyen todo, desde la creación de algoritmos y hardware intuitivos que aseguran que las estaciones de carga de vehículos eléctricos (EV) consuman energía cuando es barata y abundante hasta el establecimiento de nuevas estructuras económicas que evitan que los actores del mercado manipulen los precios de la energía.

“Gran parte de la infraestructura ya llegó a un lugar donde se puede integrar e implementar”, dice Adam Wierman, profesor de informática y ciencias matemáticas. “Existen dispositivos inteligentes para detección y comunicación, y la energía solar y eólica son competitivas en costos. Eso significa que habrá avances en el corto plazo. La pregunta es cuándo chocaremos con este muro donde la arquitectura actual deja de ser suficiente, donde los cortes de energía comienzan a ser más probables, cuando los costos comienzan a aumentar. Nuestra investigación está dirigida a atravesar ese muro, de modo que cuando llegue allí, aún pueda progresar”.

Red eléctrica de ayer
Las redes convencionales se han basado en centrales eléctricas de carbón o nucleares ubicadas cerca de áreas de alta demanda de electricidad. Los sistemas de generación de energía renovable, como los paneles solares y las turbinas eólicas, a menudo se ubican en espacios abiertos lejos de las áreas urbanas, lo que crea la necesidad de más almacenamiento (por ejemplo, almacenamiento de energía hidroeléctrica bombeada o baterías) y una mayor capacidad de transmisión (por ejemplo, líneas eléctricas). ).

La red también fue diseñada para distribuir un flujo constante y predecible de electricidad creado por la quema de combustibles fósiles bajo demanda. La energía renovable del viento y la energía solar fluctúan según el clima y son difíciles de predecir. Sin un gran almacenamiento de energía a largo plazo, esto puede resultar en un desequilibrio entre la cantidad de electricidad producida y la cantidad necesaria en un momento dado.

A estos desafíos se suma la expectativa de que la demanda de electricidad se disparará a medida que más personas conduzcan vehículos eléctricos e instalen electrodomésticos en un esfuerzo por descarbonizar. La red del futuro debe poder crecer para adaptarse a esta mayor demanda.

Soluciones de red inteligente de Caltech
Cuando el suministro de energía es menos predecible, la demanda de energía debe ser más flexible para evitar sobrecargar la red. La programación inteligente (extraer energía de la red cuando hay energía renovable disponible) podría hacer que la red sea más compatible con la variabilidad de la energía eólica y solar.

Los investigadores de Caltech han desarrollado herramientas matemáticas que determinan cuándo usar y cuándo conservar energía en función de la energía disponible en la red. Estas herramientas resuelven el problema de cómo estabilizar los voltajes en la red incluso cuando fluctúa la energía de fuentes renovables. Este nuevo enfoque se puede aplicar a las redes de distribución que toman energía de subestaciones más grandes y la entregan a casas, edificios, farolas y otros consumidores de energía en una región.

Con una rejilla habilitada para programación inteligente, puede indicarle a su lavavajillas si necesita platos de inmediato o si el trabajo podría esperar unas horas hasta que la rejilla esté menos estresada. Los enormes centros de datos administrados por Google, Amazon y otras empresas podrían iniciar actividades de uso intensivo de energía, como el archivo de datos, solo cuando la energía solar y eólica estén disponibles.

Caltech ya ha lanzado una solución dirigida a un importante consumidor de energía: los vehículos eléctricos. Steven Low, profesor Frank J. Gilloon de Computación y Ciencias Matemáticas e Ingeniería Eléctrica, George Lee, exestudiante graduado de Caltech, y Zachary Lee, exinvestigador graduado del Instituto de Sustentabilidad Resnick, inventaron la red de carga adaptable, una plataforma habilitada para teléfonos inteligentes que los estacionamientos pueden usar para maximizar la eficiencia de las estaciones de carga EV. Por ejemplo, una persona puede dejar su vehículo eléctrico estacionado durante un día completo de trabajo, pero necesita relativamente poca energía para superarlo.

fuera de la batería. Esa persona podría esperar hasta el final del día, cuando la energía esté más disponible y sea más barata, para cargarla. Otra persona, que necesita cargar antes de conducir a una reunión a la hora del almuerzo, podría comenzar a recibir electricidad de inmediato. Esta tecnología, con licencia a través de una empresa llamada PowerFlex, ahora está operando en las estructuras de estacionamiento de Caltech y se está implementando en todo el país.

Pero la programación inteligente por sí sola no es suficiente. Una red que funciona con energía renovable también requiere una revisión importante en la forma en que se gestiona y regula la red.

La red eléctrica actual se basa en un enfoque centralizado, lo que significa que todos los datos se recopilan y las decisiones de control se toman en un centro de administración central para garantizar que se dirija suficiente electricidad a donde se necesita. La red inteligente, por otro lado, utiliza un enfoque descentralizado, en el que todo, desde lavavajillas hasta centros de datos, puede interactuar y obtener información de la red para optimizar el uso de energía sin intervención humana. Esto requiere nuevos algoritmos diseñados teniendo en cuenta las amenazas de ciberseguridad desde el principio.

El sistema actual también utiliza mercados que predicen la demanda de electricidad de los clientes con un día de anticipación, lo que permite que las centrales eléctricas generen y vendan suficiente energía para satisfacer esa demanda. Esta estructura de mercado no funciona cuando entran en juego las energías renovables fluctuantes. Los investigadores de Caltech, como Wierman, están realizando trabajos teóricos sobre la red inteligente y la red de mercados que producirá. Un problema potencial es que los mercados basados ​​en energías renovables abren la puerta para que las empresas manipulen los precios apagando los generadores. Mientras que el estado operativo de un generador normal se puede monitorear, la energía solar y eólica hacen que sea casi imposible verificar cuánta electricidad debería haberse producido porque es difícil saber si había viento o sol en un momento determinado. Wierman está creando diseños de mercado que reducirían ese riesgo.

La ciudad natal de Caltech, Pasadena, es un laboratorio conveniente para los investigadores de redes inteligentes del Instituto: la ciudad ha promovido el uso de paneles solares y vehículos eléctricos, proporcionando un ejemplo real y en tiempo real de los desafíos que conlleva la incorporación de energías renovables en una red convencional. . Caltech está trabajando con Pasadena Water and Power en un proyecto para instalar y programar estratégicamente baterías que podrían almacenar energía solar y eólica para usar cuando el suministro de energía es bajo.

“Los grandes desafíos de ingeniería están inspirando gran parte de la investigación en Caltech, especialmente en el área amplia de la sustentabilidad”, dice Harry Atwater, presidente de liderazgo de Otis Booth de la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, profesor Howard Hughes de Física Aplicada y Ciencia de los Materiales, y director de Liquid Sunlight Alliance. “Inventar y desarrollar tecnologías para acelerar la transición a una infraestructura de energía sostenible forma una gran parte de nuestra cartera de investigación: nuestros profesores, estudiantes y ex alumnos están a la vanguardia de la solución de problemas a gran escala que tendrán un impacto a largo plazo”.