Por qué el 'disparo' solar es una amenaza de red para las energías renovables

Se suponía que el 9 de mayo del año pasado sería un día típico para la energía solar en el oeste de Texas. Pero alrededor de las 11:21 am, algo salió mal.

Grandes cantidades de capacidad solar se desconectaron inesperadamente, aparentemente provocadas por una falla en la red conectada a una planta de gas natural en Odessa, según el Consejo de Fiabilidad Eléctrica de Texas (ERCOT). La pérdida de producción solar representó más del 13 por ciento de la capacidad solar total en ese momento en la región de la red ERCOT, que abarca la mayor parte del estado.

Si bien todas las unidades solares volvieron a estar en línea en seis minutos, el incidente destacó un desafío persistente para el sector energético que, según advierten los expertos, debe abordarse a medida que los recursos de energía limpia continúan desplazando a los combustibles fósiles.

"Al igual que en Texas, estamos viendo este gran auge en la tecnología solar con bastante rapidez", dijo Ryan Quint, director de ingeniería e integración de seguridad en North American Electric Reliability Corporation (NERC). "Y ahora, estamos viendo disturbios muy grandes de la nada".

En los EE. UU., los recursos libres de carbono constituyen una porción creciente de la combinación de electricidad y la gran mayoría de la nueva generación propuesta. El verano pasado, los sistemas de almacenamiento solar y de batería ayudaron a mantener las luces encendidas en Texas y California mientras los operadores de la red lidiaban con una alta demanda de energía impulsada por el calor extremo, según expertos en redes.

Aun así, aunque el disturbio del año pasado cerca de Odessa fue inusual, no fue un incidente aislado. Si la industria y los reguladores no actúan para evitar futuros eventos de "disparo" de energía renovable, tales incidentes podrían desencadenar un apagón si se generalizan lo suficiente y dañan la percepción del público sobre las energías renovables, dicen los expertos.

El evento de disparo en Texas, que abarcó 500 millas, y otros incidentes similares se han relacionado con los inversores que convierten la electricidad generada por los sistemas de almacenamiento solar, eólico y de batería en la energía utilizada en la red. Los generadores convencionales (plantas de energía de combustibles fósiles, plantas nucleares y represas hidroeléctricas) no requieren inversores, ya que generan energía de manera diferente.

"Tenemos que confiar cada vez más en la tecnología de inversores, por lo que se vuelve cada vez más crítico que no tengamos estos problemas de riesgo de confiabilidad sistémica, como disparos inesperados y rendimiento inesperado", dijo Quint.

Los recursos renovables, o "basados ​​en inversores", tienen atributos valiosos de los que carecen los generadores convencionales, dicen los expertos. Pueden subir y bajar mucho más rápidamente que una planta de energía convencional, por lo que los incidentes de tropiezos no suelen durar más de varios minutos.

Pero los inversores también deben programarse para comportarse de cierta manera, y algunos fueron diseñados para desconectarse en caso de una falla eléctrica, en lugar de soportarla, dijo Debra Lew, directora asociada de Energy Systems Integration Group sin fines de lucro.

"[La programación] te da mucho espacio para jugar", dijo Lew. "Puedes hacer todo tipo de cosas locas. Puedes hacer grandes cosas y puedes hacer cosas malas".

Cuando los parques solares y eólicos surgieron como un actor importante en la industria energética en las décadas de 2000 y 2010, podría haber tenido sentido programar sus inversores para desconectarse temporalmente en caso de falla, dijo Barry Mather, ingeniero jefe de National Renewable Laboratorio de Energía (NREL).

Las fallas pueden ser causadas por líneas eléctricas caídas, rayos u otras perturbaciones más comunes. La respuesta de los recursos basados ​​en inversores estaba destinada a evitar que los equipos se dañaran, e inicialmente tuvo pocas consecuencias para la red en su conjunto, ya que las energías renovables en ese momento constituían una porción muy pequeña de la red, señaló Mather.

Si bien Quint dijo que se están logrando avances para mejorar los inversores en Texas y en otros lugares, otros son menos optimistas de que la industria y los reguladores estén tratando el problema con la urgencia que merece.

“La verdad es que realmente no estamos avanzando en términos de una solución”, dijo Mather. "De alguna manera arreglamos las cosas para un evento, y luego el próximo evento sucede de manera bastante diferente".

NERC ha hecho sonar la alarma sobre la amenaza de disparo de recursos basados ​​en inversores durante más de seis años. Pero las recomendaciones de la organización para propietarios de transmisiones, fabricantes de inversores y otros sobre cómo solucionar el problema no han sido adoptadas universalmente.

En agosto de 2016, el humo y el calor cerca de un incendio forestal activo en el condado de San Bernardino, California, provocaron una serie de fallas eléctricas en las líneas eléctricas cercanas. Eso hizo que varios inversores se desconectaran o dejaran momentáneamente de inyectar energía a la red, lo que provocó la pérdida de casi 1200 megavatios de energía solar, el primer incidente de disparo generalizado documentado en los EE. UU.

Más de la mitad de los recursos afectados en el evento de California volvieron a funcionar normalmente en unos cinco minutos. Aún así, el fenómeno de disparo en ese momento se consideró una "preocupación importante" para el operador de la red de California, dijo NERC en un informe de 2017 sobre el incidente.

La percepción en torno a algunos de los primeros incidentes era que las unidades solares afectadas eran relativamente viejas, con inversores menos sofisticados que los que se instalan hoy, dijo Ric O'Connell, director ejecutivo de GridLab, un grupo de investigación sin fines de lucro centrado en la energía. red. Es por eso que los disturbios del año pasado cerca de Odessa causaron revuelo, dijo.

"Se espera que haya algunas plantas heredadas antiguas en California que tienen 10, 15 años y tal vez no puedan mantenerse al día con los estándares modernos", dijo O'Connell. "Pero [esas] plantas de Texas son todas bastante nuevas".

Después de la perturbación de Odessa de mayo de 2021, ERCOT se puso en contacto con los propietarios de las plantas solares afectadas, que no fueron nombrados públicamente en los informes emitidos por el operador de la red, para tratar de determinar qué funciones de programación o factores habían provocado que se dispararan, dijo Quint de NERC. A principios de este año, ERCOT también estableció un grupo de trabajo de recursos basados ​​en inversores para "evaluar, revisar y recomendar mejoras y actividades de mitigación" para respaldar y mejorar estos recursos, dijo Trudi Webster, portavoz del operador de la red.

Aún así, el problema resurgió en Texas este verano, nuevamente centrado cerca de Odessa.

El 4 de junio, nueve de las mismas unidades solares que se habían desconectado durante el evento de mayo de 2021 volvieron a dejar de generar energía o redujeron la potencia de salida. Apodado "Odessa Disturbance 2" por ERCOT, el incidente de junio fue el evento de disparo basado en un inversor documentado más grande hasta la fecha en los EE.

NERC ha abogado por varias soluciones al problema. Por un lado, los propietarios de transmisión y los proveedores de servicios deben mejorar los requisitos de interconexión para los recursos basados ​​en inversores, dijo Quint. Además, la Comisión Reguladora de Energía Federal debería mejorar los acuerdos de interconexión en todo el país para garantizar que sean "apropiados y aplicables para la tecnología basada en inversores", dijo Quint. Finalmente, se deben mejorar los estándares de confiabilidad obligatorios establecidos por NERC, un proceso que está en curso, dijo.

Uno de los desafíos para abordar el problema parece ser la competencia de intereses entre las diferentes partes de la industria, dijo Mather de NREL. Debido a que el disparo puede ser esencialmente un mecanismo de defensa para las unidades solares, eólicas o de batería que podrían dañarse por una falla, algunos propietarios de plantas de energía pueden desconfiar de las políticas que les exigen superar todas las fallas, dijo.

"Si usted es un [operador de sistema independiente], preferiría que estas plantas nunca se desconecten, deberían pasar por cualquier cosa", dijo Mather. "Si usted es propietario y operador de una planta, está un poco receloso al respecto, porque está poniendo su equipo en riesgo o al menos potencialmente en riesgo de sufrir algún daño en sus sistemas de inversores fotovoltaicos".

Además, algunos propietarios de plantas de energía renovable podrían suponer erróneamente que las instalaciones que poseen no requieren mucho mantenimiento, según O'Connell. Pero dado que la energía solar ahora constituye una porción cada vez mayor de la combinación general de recursos eléctricos, esa forma de pensar debe cambiar, dijo.

"Ahora que la industria ha crecido y tenemos plantas [solares] de 100 megavatios, no plantas de 5 kilovatios, tenemos que cambiar un paradigma diferente", dijo.

Sean Gallagher, vicepresidente de asuntos estatales y regulatorios de la Asociación de Industrias de Energía Solar, enfatizó que los desarrolladores solos no pueden resolver los incidentes de tropiezos. También es crucial para los propietarios de la transmisión "garantizar que los inversores estén configurados correctamente a medida que se conectan más recursos basados ​​en inversores", dijo Gallagher.

"Con más proyectos de energía limpia en la red, la física de la red está cambiando rápidamente, y los desarrolladores de proyectos de energía, los propietarios de servicios públicos y de transmisión deben desempeñar un papel en lo que respecta a la confiabilidad de todo el sistema", dijo Gallagher en un comunicado.

En general, la industria respaldaría los "requisitos de modelado viables" para proyectos solares y de almacenamiento como parte del proceso de interconexión, o el proceso mediante el cual los recursos se conectan a la red, agregó.

El desafío de tropezar no ha pasado desapercibido para las agencias federales mientras trabajan para preparar la red para una rápida infusión de recursos de energía limpia, una tendencia impulsada por las políticas económicas y climáticas, pero impulsada por la reciente aprobación de la Ley de Reducción de la Inflación.

El mes pasado, el Departamento de Energía anunció una nueva oportunidad de financiamiento de $26 millones para proyectos de investigación que podrían demostrar un sistema de electricidad confiable alimentado completamente por recursos de almacenamiento solar, eólico y de batería. Un objetivo del programa de financiación es ayudar a demostrar que los recursos basados ​​en inversores pueden hacer todo lo necesario para mantener las luces encendidas, lo que la agencia describió como "una barrera clave para la transición a la energía limpia".

"Debido a que la nueva generación eólica y solar se interconecta con la red a través de inversores electrónicos de potencia, tienen características y dinámicas diferentes a las fuentes de generación tradicionales que actualmente brindan estos servicios", dijo el DOE en su aviso de financiamiento.

FERC también ha propuesto una nueva regla que se basa en las recomendaciones NERC existentes. Como parte de una propuesta radical para actualizar el proceso de conexión de nuevos recursos a la red, la FERC incluyó dos nuevos requisitos para reducir los disparos de los recursos basados ​​en inversores.

Si se finaliza, la regla de la FERC exigiría que los recursos basados ​​en inversores proporcionen "modelos precisos y validados" con respecto a su comportamiento y programación como parte del proceso de interconexión. En general, los recursos también tendrían que poder atravesar perturbaciones sin desconectarse, dijo la comisión en la propuesta, emitida en junio.

Si bien está diseñado para ayudar a prevenir disparos generalizados, la propuesta actual de FERC podría mejorarse, dijo Julia Matevosyan, ingeniera jefe del Grupo de Integración de Sistemas de Energía. Entre otros cambios, la agencia debería requerir recursos basados ​​en inversores para inyectar la llamada "potencia reactiva" durante una falla, al tiempo que reduce la producción de energía real en proporción al tamaño de la perturbación, dijo Matevosyan. La potencia reactiva se refiere a la potencia que ayuda a mover la energía alrededor de la red y soporta voltajes en el sistema.

“Es una buena intención. Es solo el lenguaje, la forma en que se propone en este momento, no es un comportamiento técnicamente posible o deseable”, dijo Matevosyan sobre la propuesta de FERC.

Para mejorar su propuesta, la FERC podría basarse en el lenguaje utilizado por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) en un nuevo estándar que desarrolló para los recursos basados ​​en inversores a principios de este año, agregó. Los estándares emitidos por IEEE, una organización profesional enfocada en temas de ingeniería eléctrica, no son exigibles ni obligatorios, pero representan las mejores prácticas para la industria.

El proceso de IEEE está dirigido por las partes interesadas. El noventa y cuatro por ciento de los 170 expertos de la industria involucrados en el proceso para desarrollar el último estándar de recursos basado en inversores, incluidos fabricantes de inversores, desarrolladores de energía, operadores de red y otros, aprobaron la versión final, dijo Matevosyan.

La aprobación del estándar IEEE es una señal de que podría estar surgiendo un consenso sobre el disparo de recursos basado en inversores, a pesar de los obstáculos de ingeniería y políticas que quedan, dijeron los observadores. A medida que la industria busca mejorar el rendimiento de los recursos basados ​​en inversores, también hay una comprensión cada vez mayor de las ventajas que tienen los recursos sobre los recursos convencionales, como su capacidad para responder rápidamente a las condiciones de la red, dijo Tom Key, ejecutivo técnico sénior de Electric Instituto de Investigación de Energía.

"No es que el cielo se esté cayendo ni nada por el estilo", dijo Key. "Nos estamos moviendo en la dirección correcta".