Para que todo el mundo comprenda la importancia de la sincronía.
Durante el comienzo del diseño de las primeras redes eléctricas, se encontró con que era imposible equilibrar demandas y generaciones variables. Se podían diseñar sistemas que alimentaran cargas fijas, pero si estas variaban de forma imprevisible como sucede con las redes domésticas, se producían caídas de tensión al producirse el desbalance. Se necesitaba una forma de almacenamiento de energía que aportara cuando la demanda fuera superior a la generación y que absorbiera cuando la generación fuera superior a la demanda.
Los ingenieros de hace un siglo encontraron ese almacenamiento en las propias turbinas que generan electricidad. Las turbinas no dejan de ser hélices girando a cierta velocidad. Cualquier cosa en movimiento tiene energía cinética que puede ser aprovechada. ¿Cómo podemos usarla en nuestro favor? Haciendo que todas las turbinas giren con las misma frecuencia: la de la propia red eléctrica. Eso es estar sincronizado.
De esta forma, si la red requiere de más energía porque la demanda es superior a la generación, las turbinas transforman energía cinética en eléctrica reduciendo su velocidad de giro (es decir, bajando la frecuencia de la red). De forma inversa, si la red tiene un exceso de generación, las turbinas son capaces de transformar energía eléctrica en energía cinética aumentando su velocidad de giro (aumentando la frecuencia de la red).
Este proceso es completamente autónomo (explicación física, ignorad si no queréis dolor de cabeza: si una turbina genera X watios girando a 50 Hz, tiene una fuerza electromotriz Y para el caudal Z. Si la demanda de potencia aumenta por encima de X, la fuerza electromotriz aumenta (la potencia está directamente relacionada con ella); si el caudal no cambia, la resistencia que ofrece la fuerza electromotriz al giro implica que se va a ralentizar. De forma inversa, si disminuye la fuerza electromotriz por exceso de generación, la resistencia a giro disminuye y aumenta la velocidad. Es una realimentación negativa).
De esta forma, se puede balancear la diferencia entre generación y demanda regulando de forma pasiva la frecuencia de la tensión. Además, puede forzarse la variación de la frecuencia más allá de lo que se hace de forma pasiva. Es lo que se que conoce como regulación activa y qué sí que requiere de procesos electrónicos o manuales. La mayoría de las turbinas de las centrales térmicas no nucleares e hidroeléctricas son capaces (en el caso de las hidráulicas, es tan sencillo como regular el caudal de agua).
¿Qué límites tenemos? El primero, y más básico, es que el máximo absoluto de energía que se puede aportar es la energía cinética de las turbinas. No obstante, no podemos llegar tan lejos. Las turbinas tienen límites físicos que no hay que alcanzar para evitar su autodestrucción: es fácil pensar que girando muy rápido se dañan, quizá no tanto en pensar que lento también lo hace: si gira muy lento es que la fuerza electromotriz es inmensa y ofrece una resistencia enorme al giro. La energía siempre fluye por el camino de mínima resistencia, y si requiere menos energía deformar las hélices que girar, las deformará.
Además, existen diversos elementos de la red que también tienen límites de seguridad para su funcionamiento, como los transformadores. Los límites que se establecen para un correcto funcionamiento del sistema suelen andar en ±0,1 Hz. Caer por encima del ±0,5 Hz es colapso seguro.
¿Para qué todo este rollo? Lo que hay que entender es que la regulación de la frecuencia es una reserva de energía que se utiliza para corregir el balance entre demanda y generación. Lo que coloquialmente llamamos inercia del sistema no es más que la capacidad de esta reserva y la velocidad con la que se puede disponer de ella. El gran problema de usar esta reserva es que no sale gratis: las variaciones de la frecuencia son dañinas y uno de los objetivos de los operadores de la red es minimizar las oscilaciones y mantener la frecuencia lo más cercana posible a 50 Hz.
En resumen, para balancear la demanda / generación se utiliza la variación de la frecuencia, y para evitar que el sistema colapse por estas variaciones, se realiza regulación activa de la frecuencia para eliminarlas.
¿Las renovables aportan inercia síncrona? Si generan electricidad mediante turbinación, sí. La hidroeléctrica, termosolar, térmica renovable (biomasa) y geotérmica, aportan. Las más notorias, fotovoltaica y eólica, no. Son asíncronas. La frecuencia es determinada por el inversor, que sigue la frecuencia de la red. Existen inversores, los llamados generadores de red, que son capaces de determinar su frecuencia de vertido, y aportan inercia ficticia. En situaciones como las de ayer son completamente inútiles, pero sí que ayudan a energizar la red.
¿Las nucleares aportan inercia? Sí, como todas las fuentes que generan mediante turbinación. Sólo aportan regulación pasiva, así que no pueden usarse para realizar correcciones de la frecuencia. Además, las turbinas cierran el circuito de refrigeración del reactor nuclear, por lo que hay que evitar a toda costa que se dañen. Es por ello que son las turbinas con los márgenes de seguridad más estrictos, y por lo que ante variaciones insalvables de la frecuencia, son las primeras en desconectarse para protegerse. Por lo que he explicado antes, si se desconecta la central, las turbinas deben apagarse (si no se aporta energía, la demanda es cero, por lo que se dispara la frecuencia, y no se puede verter a tierra porque ésta tiene demanda infinita, por lo que la frecuencia se hunde instantámeante a cero) y se deben usar bombas de refrigeración alimentadas externamente. Por el mismo motivo, las centrales nucleares deben ser las últimas en volver al sistema, y únicamente cuando se garantice la estabilidad de la frecuencia. Por mucho que chille Operador Nuclear, las centrales nucleares son un problema en un cero.
Si tuviéramos un sistema con mucha inercia, ¿se podría haber evitado el colapso tras perder 15 GW de generación? Extremadamente improbable. El sistema perdió el 60% de generación en 5 segundos. Eso significa que el 40% restante debería incrementar su potencia un 150% sacrificando como máximo absolutísimo 0,5 Hz en pocos segundos. No he hecho números pero seguramente sea físicamente imposible.
¿Es posible añadir inercia al sistema sin acudir a turbinación? Sí, más o menos. La reserva de la inercia síncrona no deja de ser energía que se aporta o se absorbe al sistema para hacer el balance entre la demanda y el consumo. Usando baterías es posible hacer también el balance, con la ventaja de que lo hacen sin tocar algo tan sensible que la frecuencia. Aportan más estabilidad a la red que las síncronas y son mucho más flexibles (problema, son caras, aunque se están abaratando). Si la operación es inteligente y se instalan en cada nodo, permiten realizar el balance de forma local de forma muy sencilla, aliviando mucho la carga que necesitan corregir las síncronas.
¿La pérdida de la generación se debe a variabilidad de la frecuencia? Aunque no es descartable, los pocos hechos que se conocen no apuntan a ello.
Si la frecuencia hubiera sido la causa, ¿tener mucha capacidad de almacenamiento de baterías hubiera evitado el colapso? Mientras seguramente hubiera sido imposible mantener toda la red viva, creo que hubiera sido posible salvar buena parte de la misma. Las baterías permiten aportar de forma instantánea mucha potencia, lo que disminuye la carga que tiene que recuperar la síncrona. Y, teóricamente, la flexibilidad que aportan podrían permitir mantener energizados los nodos conectados a los nodos caídos el tiempo suficiente como para desviar energía allí, activar las reservas de emergencia, importar de emergencia y desactivar la demanda prevista para ello y, de esta forma, aislar un colapso y evitar que se propague. De hecho, no tengo dudas: la medida estrella que el gobierno va a usar para evitar futuras crisis es el despliegue masivo de baterías tanto en la red de generación como de transporte. Es una medida necesaria y muy positiva por diversos factores, pero no va a ser barata (no obstante, España quizá se lo pueda permitir al tener uno de los precios más bajos en la generación).
Veremos.
