Nuevos compromisos: la transmisión HVDC ofrece opciones para las demandas renovables

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Fuente: https://www.ecmag.com/

A medida que Estados Unidos avanza para descarbonizar su suministro de electricidad, los planificadores de transmisión se enfrentan a un enigma. Los recursos de generación eólica, solar e hidroeléctrica más productivos y fiables suelen estar lejos de las ciudades que más necesitan energía. Simplemente construir líneas de transmisión de corriente alterna de alto voltaje (HVAC) adicionales para conectarlas es difícil porque los permisos ambientales y las preocupaciones de la comunidad local pueden paralizar dichos proyectos durante años. Ahora, los desarrolladores están investigando opciones novedosas de corriente continua de alto voltaje (HVDC) que aprovechan la infraestructura existente para minimizar los obstáculos de desarrollo.

Encontrar nuevas formas de transportar energía a distancias más largas es un tema crítico, ya que varios estados están estableciendo metas ambiciosas para alejar sus suministros de electricidad de los combustibles fósiles como el carbón y el gas natural. A partir de 2020, nueve estados, el Distrito de Columbia y Puerto Rico habían establecido requisitos para el 100% de electricidad renovable para 2050 o antes. Otros estados han establecido objetivos del 50% para 2040 o antes. Numerosas empresas de servicios públicos propiedad de inversores se han fijado metas agresivas para incorporar energía libre de carbono en sus carteras.

Sin embargo, como señala Roger Rosenqvist, vicepresidente de desarrollo comercial de ABB, Memphis, Tennessee, estos nuevos compromisos requieren un replanteamiento del paradigma de transmisión en el que se basa un siglo de experiencia.

“Estados Unidos ha sido históricamente muy dependiente de la generación nuclear y de combustibles fósiles que ha sido construida y ubicada cerca de los principales centros de carga”, dijo. “Los sistemas de transmisión para distribuir electricidad no han sido muy largos. Han sido sistemas más locales, que se han interconectado con el tiempo «.

Estos sistemas se han vuelto bastante densos en los centros de población, dijo Rosenqvist, pero son prácticamente inexistentes en las áreas donde existen las mayores oportunidades para aprovechar los recursos renovables.

“Donde tenemos nuestros mejores recursos para el viento es principalmente en áreas muy remotas en el Medio Oeste y en el norte de Maine y el estado de Nueva York. Solar está en áreas desérticas en el oeste y suroeste ”, dijo. «Vamos a necesitar nuevas líneas de transmisión para transmitir esa energía a los centros de carga».

Rosenqvist también señaló que la naturaleza intermitente de la producción eólica y solar puede hacer que los recursos de respaldo sean una necesidad. Las grandes centrales hidroeléctricas son una opción libre de carbono y, mientras tanto, muchos estados y empresas de servicios públicos están mirando hacia un Canadá rico en energía hidroeléctrica para esta energía.

«Para que eso se conecte a los EE. UU., Se necesitan nuevos puntos de conexión», dijo Rosenqvist.

De manera similar, agregó, también se requerirán nuevas conexiones de transmisión para facilitar la naciente industria eólica marina.

“Realmente no hay capacidad de transmisión en la costa para recibir esa energía y llevarla a la red troncal de transmisión existente”, dijo.

La tecnología HVDC ofrece importantes ventajas de eficiencia para todos estos escenarios. Ha estado en uso durante casi medio siglo en los Estados Unidos y se introdujo por primera vez como una forma de llevar energía hidroeléctrica desde Portland, Oregón, hasta el área de Los Ángeles. Ese sistema, el Pacific DC Intertie, se actualizó a una capacidad de 3.220 megavatios (MW) hace varios años, con la capacidad de expandirse hasta 3.880 MW.

Esta enorme capacidad está habilitada por la naturaleza de la alimentación de CC. La corriente encuentra menos resistencia de línea, lo que conduce a pérdidas de línea significativamente menores en instalaciones de larga distancia. Además, los sistemas HVDC pueden aprovechar al máximo la capacidad de carga de un conductor porque la energía de CA solo se transporta a lo largo de la «piel» del conductor. Como resultado, los diseños de HVDC pueden acomodar cargas mayores con conductores de tamaño similar.

Una característica adicional de HVDC es la capacidad de conectar redes asíncronas juntas, lo que es mucho más desafiante con la transmisión de CA. Las líneas cuentan con estaciones convertidoras en cada extremo que pueden convertir, digamos, 50 Hz de energía de una central hidroeléctrica canadiense a CC en un extremo y luego volver a convertirla en CA, esta vez a 60 Hz, en el momento de la entrega a la red de EE. UU.

En el pasado, las estaciones convertidoras eran potenciales destructores de presupuestos. Sin embargo, los avances recientes en la ingeniería de las estaciones convertidoras han reducido tanto el tamaño como el costo requeridos. Estas mejoras han impulsado la viabilidad económica de las propuestas de HVDC.

A pesar de estas ventajas, varias propuestas ambiciosas de transmisión HVDC han fracasado. Tres de los más grandes fueron iniciados por la empresa Clean Line Energy Partners, Houston, y todos han luchado por obtener la aprobación.

El proyecto de 4,000 MW Plains and Eastern Clean Line habría transportado electricidad generada por el viento desde Oklahoma 720 millas al este a través de Arkansas para conectarse con la Autoridad del Valle de Tennessee, Knoxville, Tennessee. La Rock Island Clean Line de 3,500 MW estaba destinada a correr 500 millas desde Sanborn , Iowa, a Morris, Ill. El Grain Belt Express, con una capacidad propuesta de 4.000 MW, está destinado a correr 780 millas desde el suroeste de Kansas hasta el borde este de la interconexión PJM en Indiana.

Los proyectos de Plains y Eastern y Rock Island no obtuvieron las aprobaciones necesarias después de que los inversores invirtieron cientos de millones de dólares en su desarrollo. El nuevo propietario, Invenergy, Chicago, planea aumentar la capacidad de Grain Belt Express hasta 2.500 MW. Clean Line Energy Partners ha cesado sus operaciones comerciales. En todos los casos, la oposición local a la necesaria adquisición de derechos de paso forzó costosas batallas legales que, en el caso de los dos primeros esfuerzos, resultaron infructuosas.

La naturaleza de punto a punto de la transmisión HVDC ha planteado obstáculos en estas propuestas interestatales. Las comunidades por las que pasan las líneas no ven ningún beneficio de la energía renovable que transportan. Con la transmisión HVAC, es fácil descargar electricidad a los servicios públicos locales en el camino. Los sistemas HVDC, sin embargo, requerirían una estación convertidora en cada conexión, lo que podría incrementar los costos a niveles inaceptables. En cambio, su viabilidad financiera se basa en la economía de escala creada al transportar energía a granel a largas distancias.

De esta manera, la transmisión HVDC es similar a una tubería que transporta petróleo o gas natural desde un punto de recolección hasta un centro, donde las líneas más pequeñas pueden enviar el combustible a los sistemas de distribución locales. Pero, a diferencia de los gasoductos regulados por el gobierno federal, los sistemas de transmisión se rigen a nivel estatal. Como resultado, los desarrolladores de HVDC pueden enfrentar múltiples obstáculos jurisdiccionales que pueden resultar difíciles de superar.

Sin embargo, las líneas HVDC, a diferencia de las contrapartes HVAC, pueden enterrarse a grandes distancias, que es un enfoque en el que algunos proyectos propuestos están teniendo éxito. El Champlain Hudson Power Express, subterráneo y submarino, ha superado una serie de importantes aprobaciones para una línea propuesta de 1.000 MW (en realidad, dos cables de 5 pulgadas de diámetro) que conectan la ciudad de Nueva York con los recursos hidroeléctricos de Montreal. Los cables pasarán bajo el lago Champlain y el río Hudson, y en otros lugares estarán enterrados a lo largo de los derechos de paso de vías y vías férreas existentes.

El proyecto SOO Green Renewable Rail también está pasando a la clandestinidad. Está previsto transportar 2100 MW de energía eólica desde Mason City, Iowa, cerca de la frontera de Minnesota, 349 millas hasta una subestación en Plano, Ill., En las afueras de Chicago. Esto proporcionará una nueva conexión importante entre dos sistemas de transmisión adyacentes, el Operador del Sistema Independiente del Mediocontinente y la Interconexión PJM, lo que permitirá que la energía eólica del Medio Oeste se venda a los sistemas de energía del Este de los Estados Unidos por primera vez. Las líneas estarán enterradas dentro de un corredor ferroviario existente, lo que podría minimizar los problemas de derecho de paso que han plagado los esfuerzos anteriores de desarrollo de HVDC.

El plan se inspiró en un modelo utilizado por primera vez por la industria de la fibra óptica, según Sarah Lukan, socia de la firma de relaciones públicas LS2group y vocera de Direct Connect Development Co., propietaria del proyecto de transmisión. Ella dijo que ayuda a abordar los problemas de aprobación que, hasta ahora, han impedido que la generación eólica del Medio Oeste y el Oeste se dirija hacia el este.

“Hay mucha demanda de mercado dentro de PJM por energía renovable”, dijo. Por ejemplo, Illinois tiene una meta del 25% de energía renovable para el 2025, y la legislación propuesta apuntaría al 100% de las energías renovables para el 2050. «Esto les ayudará a darles el producto que están buscando».

La conversión de las líneas HVAC existentes a HVDC es otra forma de aprovechar la infraestructura existente para acelerar las aprobaciones y reducir los costos. El primer gran proyecto de este tipo, la línea UltraNet de 211 millas en Alemania, transportará 2.000 MW de energía eólica desde los parques eólicos del Mar del Norte hasta el sur industrial del país. Se espera que esté operativo en 2022.

En los Estados Unidos, investigadores de la Carnegie Mellon University (CMU) en Pittsburgh han estado estudiando los límites de este enfoque. Específicamente, están estudiando cómo podría usarse para reducir la distancia donde HVDC tiene sentido financiero. La construcción de nuevas líneas HVDC, ya sea sobre el suelo o subterráneas, realmente tiene más sentido a distancias más largas. Ahí es donde la reducción en las pérdidas de línea en comparación con el HVAC y la mayor capacidad de transporte de carga superan el gasto adicional de las estaciones convertidoras.

Como estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería y Políticas Públicas de CMU, Liza Reed fue la autora principal de un estudio de 2019 en Proceedings of the National Academy of Sciences que exploró la economía de las conversiones de HVAC a HVDC. Tradicionalmente, 375 millas se ha considerado un límite inferior para el nuevo desarrollo de HVDC, dijo. Sin embargo, su investigación respalda que proyectos tan cortos como UltraNet de 211 millas de Alemania también podrían tener sentido financiero en los Estados Unidos.

Bajo este enfoque, se requerirían nuevas estaciones convertidoras y aisladores, según Rosenqvist de ABB.

Además, según el diseño, es posible que las torres de transmisión necesiten modificaciones, aunque el requisito de ancho del derecho de paso seguirá siendo el mismo. Pero tales proyectos podrían hacer uso de los conductores existentes, señaló Reed.

“Puedes usar los mismos conductores porque solo mueven electrones”, dijo. Sin embargo, los ahorros relacionados al cambiar a equipos HVDC dedicados vienen con una compensación en la eficiencia. “Hay un aspecto de esto que no es óptimo; las pérdidas pueden ser mayores que con un sistema de CC personalizado «.

Reed dijo que el artículo, en coautoría con los miembros de la facultad de CMU M. Granger Morgan, Parth Vaishnav y Daniel Armanios, atrajo la atención por sus hallazgos de que la repotenciación de las líneas de HVAC en el lugar para el servicio de HVDC puede funcionar en tramos más cortos. Para ella, sin embargo, el trabajo solo plantea más preguntas con respecto a otras oportunidades para agregar de manera eficiente más recursos renovables a las carteras de energía existentes. Dos de estas consultas destacan para ella.

«¿Qué estamos pasando por alto?» Reed preguntó, hipotéticamente, «¿y qué podría significar para nosotros?»

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