El problema de la penetración. Parte II: ¿La Ley de Reducción de la Inflación Causará un Apagón?

por Ingeniero de Planificación

Las provisiones “verdes” de los mal nombrados Ley de Reducción de la Inflación están barriendo y parece que pueden hacer más daño que bien. La filosofía detrás de la Ley de Reducción de la Inflación parece reflejar la creencia de que si puede hacer que la pelota ruede, será más fácil agregar energía eólica y solar adicional. Sin embargo, como se discutió en la Parte 1, los problemas asociados con el aumento del nivel de penetración de la generación eólica y solar son extremos.

Reemplazar los recursos generadores síncronos convencionales, que han sido la base del sistema eléctrico, con recursos intermitentes asíncronos degradará la confiabilidad de la red y contribuirá al riesgo de apagones. El sistema de energía es la máquina maravillosa más grande y complicada que jamás se haya hecho. En un momento dado, debe hacer frente a múltiples problemas y permanecer estable. Ningún recurso es perfecto; en un sistema grande, encontrará regularmente numerosos problemas que ocurren en todo el sistema. Generalmente, un sistema de energía puede manejar múltiples problemas y continuar brindando un servicio confiable. Sin embargo, cuando un sistema carece de fuentes de generación de apoyo, es mucho más probable que no pueda funcionar de manera confiable cuando ocurran problemas.

Así como una pila de madera seca y material inflamable puede despedirse de muchas fuentes potenciales, o una persona muy enferma podría sucumbir a muchas amenazas diferentes, un sistema de energía debilitado es más vulnerable a muchas condiciones que uno sólido. En esta publicación hablé sobre la responsabilidad del apagón invernal de Texas. Muchas cosas salieron mal ese día en Texas. Pero a menudo muchas cosas salen mal: el verdadero problema era que el mercado de Texas no proporcionaba incentivos para los recursos de reserva. En Texas no había suficientes recursos comprometidos para cubrir los niveles de carga del sistema y posibles contingencias. Texas se basó en un mercado energético diseñado para favorecer los recursos eólicos y solares y les falló. Sin embargo, muchos análisis del apagón de Texas se centraron en las condiciones próximas (problemas del tipo que son comunes) ignorando o negando el principal problema subyacente.

Estamos viendo apagones y problemas del sistema en todo el mundo ahora, a diferencia del pasado. Hay un factor común para la mayoría: la alta penetración de la generación solar y eólica asincrónica intermitente. Esta similitud generalmente se ignora cuando se evalúan las interrupciones individuales, ya que los intereses creados se centran en las condiciones desencadenantes. Siempre habrá posibles condiciones desencadenantes. Nadie en ninguna parte eliminará las condiciones desencadenantes, por lo que absolver a los recursos verdes de la culpa porque tales cosas existen en el mundo real solo tiene sentido como teatro. Cuando se enfrenta a apagones «verdes», centrarse en los desencadenantes próximos sirve para proteger los intereses «verdes» y ayuda a enmascarar los problemas emergentes mayores que se avecinan.

La Ley de Reducción de la Inflación está promoviendo un sistema con menor estabilidad, robustez y confiabilidad. Además de describir cómo estos programas verdes contribuyen en general a las interrupciones importantes, concluiré este artículo identificando un tipo específico de interrupción que probablemente se vuelva más común debido a las disposiciones de la Ley de Reducción de la Inflación. Antes de describir cómo la Ley afecta el sistema, tomaré un desvío y describiré un incidente pasado específico en el que un elemento del sistema que era valioso en un nivel de penetración se convirtió en un detrimento del sistema en un nivel de penetración más alto.

Revisión de caso de penetración: bombas de calor

A bomba de calor es una forma eficiente de calentar o enfriar. Así como un refrigerador transfiere el calor del refrigerador a los serpentines en la parte posterior para enfriar o congelar su comida mientras calienta su casa, una bomba de calor puede transferir calor entre una casa o edificio y el exterior. En invierno transfiere el calor del exterior al interior. En verano transfiere el calor de la casa al exterior. Con una bomba de calor, usted no “crea” calor, simplemente usa una pequeña cantidad de electricidad para transferir calor de manera eficiente en la dirección preferida.

Incluso cuando la temperatura exterior es fría, una bomba de calor puede extraer calor del exterior y utilizarlo para calentar una casa o residencia. A medida que la temperatura desciende por debajo de los 40 grados. Sin embargo. las bombas de calor se vuelven menos eficientes y, a medida que las temperaturas caen por debajo del punto de congelación, la casa debe calentarse con un método de respaldo, generalmente calefacción por resistencia. El calentamiento por resistencia hace que el proceso sea más costoso e ineficiente. Es posible intercambiar calor con una fuente subterránea o una fuente de agua para solucionar este problema o, alternativamente, proporcionar calor a partir del respaldo de gas natural, pero estos enfoques no han funcionado como medios prácticos en una escala significativa.

Debido a su comportamiento a temperaturas más frías, las bombas de calor no son apropiadas para todas las partes del país. En el norte, las muchas horas que tendrían que funcionar con calor de resistencia los hace irresponsables con el medio ambiente y demasiado caros. El gas natural es una mejor opción. Funcionan donde hace suficiente calor parte del año como para que se instalen acondicionadores de aire de todos modos (por lo tanto, no aumentan el pico de verano) y donde hace frío pero no demasiado la mayoría de las veces. Si funcionan en modo de resistencia solo unos pocos días al año eso no cancela los beneficios netos, pero con períodos de tiempo más largos se pierden los beneficios.

Fomentar las bombas de calor estaba de moda cuando comencé a trabajar en el sureste de los EE. UU. La mayoría de las entidades en el sur no vieron cargas máximas de invierno, por lo que agregar carga de bomba de calor en el invierno fue una gran cosa. Fue una situación de ganar, ganar, ganar para todos los involucrados. La economía funciona generalmente igual para todas las empresas de servicios públicos, pero describiré cómo funcionó para las cooperativas de distribución.

Las cooperativas de distribución pagan un cargo por demanda basado en su carga máxima y un cargo por energía basado en su uso de kwh. Las ventas residenciales se basan en el uso de kwh, por lo que el cargo máximo debe recuperarse a través del cargo de kwh impuesto a los clientes residenciales. Cuanto mejor sea el factor de carga de una Cooperativa (total de kwh vendidos/(demanda pico*total de horas), más baja podrá establecer su tarifa. Las bombas de calor no aumentaron el cargo por demanda, pero aumentaron las ventas de energía y permitieron que el cargo por demanda fuera distribuidos en más ventas de energía reduciendo los costos de energía para todos.

Los constructores fueron recompensados ​​con distribución subterránea gratuita si se comprometían a construir todas las casas eléctricas que dependieran de bombas de calor. Se otorgaron reembolsos para las instalaciones de bombas de calor y, a menudo, quienes las instalaron fueron recompensados ​​con calentadores de agua gratuitos. Mi empresa tenía una gran división de marketing que apoyaba el trabajo de las cooperativas de distribución para respaldar los esfuerzos por aumentar las bombas de calor. Funcionó bien, casi a la perfección. El único inconveniente era que en los días de mucho frío las bombas de calor cambiaban a calefacción por resistencia y esto hacía que los contadores de los clientes giraran a niveles de consumo elevados, elevando mucho los costes de calefacción ese día. Pero con los incentivos y el ahorro en la mayoría de los casos, esos costos no fueron tan significativos. La carga general de invierno aumentó mucho en esos días, pero aún estaba por debajo del pico de verano en la mayoría de los casos. Además, cuando hace frío, puede poner un poco más de carga en las líneas eléctricas y los generadores de combustibles fósiles pueden proporcionar más energía sin sobrecalentarse. Entonces, las bombas de calor no contribuyeron a aumentar los costos fijos.

Todo iba bien a medida que aumentaba el nivel de penetración de las bombas de calor. Pero había una nube en el horizonte. De cara al futuro, parecía que dentro de la década nuestro pico de invierno pasaría a superar el pico de verano. Esto significaba que el pico invernal pronto impulsaría la necesidad de mejoras y ampliaciones. Lamentablemente, lo que deberían ser desacuerdos técnicos suelen ser también problemas políticos. En una batalla de expertos, los consultores que trabajaban para los vendedores disputaron la tendencia. Los programas continuaron y todo fue genial a corto plazo.

Más pronto de lo esperado, el pico de invierno llegó y golpeó fuerte y regularmente. En los días más fríos, cuando se activaba el calentamiento resistivo, la demanda máxima aumentaba rápida y bruscamente. El pico invernal “en forma de aguja” impulsó la inversión y los costos. Las cooperativas, en su mayoría residenciales, que habían invertido mucho en los programas de bombas de calor tuvieron que pagar tarifas en función de su demanda durante el nuevo pico invernal, lo que elevó en gran medida sus costos promedio de energía.

Si bien casi nadie quería verlo venir, una vez que se produjeron los efectos, casi todos en la cadena de suministro de energía desearon haberlo hecho. Este fue un golpe terrible para las cooperativas eléctricas rurales que habían invertido mucho para mejorar su factor de carga, solo para descubrir que habían subsidiado un peor factor de carga en invierno. A los clientes residenciales no se les cobra por contribuir a la demanda pico (los medidores no miden eso), por lo que para ellos su contribución a los cargos por demanda no tiene una penalización significativa. Para los clientes de esta región, todavía tiene sentido instalar bombas de calor, por lo que los problemas continúan aumentando para algunos hasta el día de hoy.

La Ley de Reducción de la Inflación que permite condiciones de apagón

La Ley de Reducción de la Inflación busca descarbonizar la red. Al mirar la cuadrícula, no debe hacer de un objetivo una prioridad, sino que debe buscar equilibrar los objetivos que compiten entre sí. Ver Balance and the Grid para una discusión de cómo los esfuerzos para maximizar un objetivo sin la debida atención a otros objetivos principales puede resultar en un empeoramiento de las condiciones para todos los objetivos. Parece evidente que todas las medidas “verdes” de la Ley de Reducción de la Inflación se incluyeron porque, de forma independiente, todas parecen capaces de reducir las emisiones de carbono. No he visto ninguna evidencia de que se haya considerado la confiabilidad del sistema o cómo estas medidas podrían interactuar para crear problemas.

Las medidas ecológicas alentadas por la Ley de Reducción de la Inflación conducirán a apagones genéricos en muchas situaciones, como se describió anteriormente en este ensayo y en la Parte 1. A continuación se presenta un gráfico de una publicación anterior, titulado “¿California «aprenderá» a evitar apagones continuos máximos??” El pico proyectado que estaba causando preocupaciones de apagón fue solo alrededor de un 10% por encima del promedio del año anterior incluido en el gráfico.

La predicción específica de una condición de interrupción que haré aquí implica condiciones de demanda máxima en invierno. Los picos de invierno pueden ser extremos, mucho más que los picos de verano. A medida que suben las temperaturas en el verano, los acondicionadores de aire alcanzan un punto de saturación. El aumento en la demanda máxima de verano con cada aumento adicional en la temperatura generalmente se aplana. En invierno, cada descenso adicional de un grado puede aumentar la demanda más que el anterior. Hay muchas fuentes potenciales de calor resistivo que aumentan la demanda. En condiciones de frío severo, cada vez entran en juego más elementos de calefacción y el aumento de la demanda en lugar de aplanarse puede aumentar exponencialmente. Las cargas máximas de invierno tienden a alcanzarse justo antes del amanecer. El sistema ve un pico que aumenta rápidamente, a menudo descrito como en forma de aguja, que cae a medida que sale el sol y las temperaturas se calientan. Dichos picos pueden estar fácilmente entre un 5 y un 20 % por encima de los picos normales de invierno en muchas áreas. Por lo tanto, estas condiciones tienen el potencial de causar preocupaciones más graves que las que se ven en California durante las condiciones extremas del verano.

La Ley fomenta la energía solar a granel, distribución y niveles residenciales. La energía solar no será beneficiosa durante tal pico, pero sirve para expulsar otros recursos que podrían respaldar el sistema durante tales condiciones. Además, hay un doble golpe. El suministro de energía solar suministrado a la red no estará allí y, al mismo tiempo, los hogares que generalmente se complementan con energía solar exigirán al máximo la red. (Nota: la infraestructura necesita abastecer un hogar que solo demanda el sistema unas pocas horas al año simultáneamente con otros usos, la demanda máxima es básicamente la misma que la infraestructura necesita para respaldar todos los requisitos de un hogar. Es un desafío recopilar eso de tales clientes Cuando hay desafíos de tarifas y es difícil cobrar los costos del sistema, la infraestructura necesaria a menudo se retrasa.) En cualquier caso, la adopción generalizada y la dependencia de la energía solar genera preocupaciones en torno a los picos de la mañana de invierno.

La Ley fomenta el desarrollo eólico. Al igual que la energía solar, la eólica empujará a otros recursos más adecuados fuera del grupo de suministro. El viento es generalmente más lento justo antes del amanecer y el invierno no suele ser la temporada alta de viento. En cualquier caso, el viento es intermitente y algunas veces durante el clima frío, el viento no está disponible. Algunos dicen que el viento tiende a subir a medida que las temperaturas bajan y hay formas de evitar que las turbinas se congelen,. No obstante, vemos problemas de congelación y la tendencia a que haya viento no es una garantía. Los recursos verdes funcionan mucho mejor en la teoría que en la práctica. Al menos a veces, la energía eólica probablemente no será un gran activo durante las condiciones de demanda máxima de la mañana de invierno.

La Ley fomenta la eficiencia. Esto podría ayudar a reducir la carga y, por lo tanto, hacer que las interrupciones severas sean menos probables. Pero el problema real con la demanda pico es la diferencia en la demanda durante el período pico extremo y otros períodos de alta carga más normales. Si la eficiencia reduce la carga, es probable que vea una reducción en la generación de recursos para atender la carga en todos los niveles de carga altos. El riesgo de las condiciones pico es más atribuible al delta entre la demanda pico de invierno y los niveles de carga alta más comunes. Esto se debe a que las cargas regulares impulsan las adiciones de generación más que las condiciones extremas. No sé si las medidas de eficiencia funcionan mejor durante las temperaturas invernales más extremas que en las temperaturas frías invernales normales (probablemente menos), por lo tanto, su impacto de mitigación puede ser pequeño o nulo. Además, hay quienes podrían argumentar que, en consonancia con Paradoja de Jevon los esfuerzos de eficiencia conducen a un mayor consumo de energía. El mecanismo básico, detrás de este teorema contrario a la intuición, se ilustra mediante mecanismos observados, como consumidores individuales con hogares más eficientes que eligen calentar más habitaciones o aumentar la comodidad porque obtienen más por su dinero en un hogar eficiente.

La energía solar, eólica y la eficiencia están destinadas a disminuir los recursos basados ​​en combustibles fósiles. Las turbinas de combustión y las hidroeléctricas son generalmente el recurso más apropiado para picos de demanda de duración limitada. El potencial de expansión de la energía hidroeléctrica es muy limitado y este recurso no puede compensar la pérdida de turbinas de combustión en la mayoría de las áreas. Las turbinas de combustión funcionan relativamente bien en condiciones de frío y, tradicionalmente, se han recurrido a unidades antiguas, en su mayoría inútiles, para que el sistema supere las condiciones de demanda máxima a corto plazo.

Para ser justos, la Ley fomenta el almacenamiento de energía y eso debería ayudar un poco con las preocupaciones sobre la demanda máxima. Es necesario tener cuidado ya que las baterías no dan su mejor rendimiento en temperaturas frías. Pero a la luz de todos los demás cambios, esa es una gran carga para la tecnología en esta etapa de desarrollo.

El siguiente gráfico muestra la generación de recursos típica de EE. UU. por fuente de energía principal. Imagínese cómo se verá este gráfico a medida que se eliminen los combustibles fósiles. Hydro solo representa alrededor del 6% de la mezcla y la expansión allí es limitada. La energía nuclear podría reemplazar estos recursos, pero no es excelente para subir y bajar para seguir los picos de aguja. Si la energía eólica y solar se intensifican para reemplazar los combustibles fósiles, esto nos deja vulnerables a la escasez de energía durante los picos de invierno justo antes del amanecer. La capacidad de la batería tendría que ser enorme, expansiva y probablemente no se adquiriría antes de las necesidades demostradas.

Es aterrador imaginar cómo atender una gran demanda del sistema de invierno justo antes del amanecer en el futuro verde. Pero una característica más de la Ley de Aire Limpio ayuda a elevar las preocupaciones a un nivel aún más alto. ¡La Ley de Reducción de la Inflación subsidia las bombas de calor!

Las bombas de calor son atractivas para la Ley de Reeducación de la Inflación por una sola razón. Ayudan a reducir la demanda de hornos de gas. Los subsidios estarán disponibles en áreas donde hoy en día las bombas de calor no se consideran prácticas. Hoy en día no tiene sentido impulsar el calentamiento por resistencia con electricidad generada a partir de combustibles fósiles. Es ineficiente y ambientalmente perjudicial. Sin embargo, puede teorizar que si toda la electricidad es verde, el calor eléctrico ineficiente también es verde. Reemplazar la calefacción de gas natural con bombas de calor no es una buena idea cuando se considera su impacto en el sistema de energía durante las condiciones pico de invierno.

Bajo las disposiciones de subsidio de la Ley, las personas que viven en áreas donde las bombas de calor no tienen sentido pueden decidir obtenerlas de todos modos con el subsidio. Por ejemplo, si vive en un área más fresca y se las ha arreglado sin aire acondicionado, ahora sus unidades pueden ser subsidiadas y el calor de la resistencia estará allí para usted también en el invierno. Los defensores de lo ecológico hablan de dar forma a la carga para utilizar mejor los recursos, pero eso, evidentemente, puede olvidarse rápidamente cuando surgen otros objetivos ecológicos. Instalar un montón de bombas de calor y construir una gran infraestructura para respaldar sus demandas a corto plazo está lejos de ser ambientalmente responsable.

Predicción específica de apagón

Con mucha ayuda de la Ley de Reducción de la Inflación, es probable que veamos este conjunto completo de condiciones en muchas áreas:

  • Temperaturas extremas muy frías antes del amanecer
  • Las turbinas de combustión de combustibles fósiles de arranque rápido de respaldo se han eliminado en gran medida de la combinación de recursos,
  • Los recursos nucleares, hidroeléctricos y de baterías están agotados
  • La energía solar está ausente del lado de la distribución y no está disponible en el lado de la generación
  • El viento puede o no estar soplando
  • Las bombas de calor funcionan al máximo en modo de resistencia, junto con otros sistemas de calefacción resistivos para llevar la carga del sistema a alturas extremas
  • Al igual que con todos los sistemas de energía, habrá algunos problemas en el sistema.
  • El sistema se verá obligado a deshacerse deliberadamente de una gran cantidad de carga o puede volverse inestable y sufrir apagones paralizantes.

En la medida en que algunos afirman que el cambio climático está provocando picos invernales más extremos a corto plazo, es posible que veamos esta situación más temprano que tarde. En cualquier caso, las medidas ecológicas nos están conduciendo allí con los patrones climáticos históricos actuales. Estar sin calor ni electricidad en condiciones de frío extremo es muy problemático para la mayoría de las personas, empresas e industrias.

¿Qué se puede hacer para prevenir tales apagones? Desafortunadamente, no parece que se haya prestado mucha atención a preocupaciones de este tipo. Se podría argumentar que necesitamos grandes excedentes de energía eólica y almacenamiento (los que no prestan atención pueden argumentar que necesitamos más energía solar) para soportar la carga de invierno. El costo y el impacto ambiental de estos recursos adicionales, en su mayoría infrautilizados, serían grandes y prohibitivos. Esto sería cierto clima el los recursos eran eólicos, solares, baterías o nucleares. Mantener turbinas de combustión más antiguas ya fabricadas para situaciones de emergencia sería un medio mucho más razonable para mitigar los riesgos. Los impactos ambientales adicionales de usar algo ya fabricado y puesto en servicio son pequeños en comparación con la construcción de nuevos recursos extensos, sin importar cuán ecológicos puedan afirmarse que son estos recursos.

¿Cómo fomentamos formas inteligentes de proporcionar capacidad de emergencia? Las políticas energéticas actuales buscan dirigir la mayor cantidad de dinero hacia los recursos «verdes» y alejar los costos de ellos. Como se discutió anteriormente, en Texas se están alejando del reconocimiento del valor de la capacidad consistente con una tendencia hacia los mercados de solo energía. Soy un gran admirador de los mercados, pero no hacen un buen trabajo de protección contra condiciones extremas, especialmente cuando nadie tiene la responsabilidad final (excepto las entidades gubernamentales) de garantizar que se sirva la carga. Sería necesario emplear algunas medidas para compensar el suministro y la garantía de que las turbinas de combustión estén disponibles para condiciones de emergencia. Pero nadie parece estar hablando de tales medidas. La Ley de Reducción de la Inflación parece ser un enfoque de enfoque único para un problema matizado. Reduzca las emisiones de CO2 y espere grandes innovaciones. Aparentemente, las amenazas de confiabilidad no están en su radar, ni son preocupaciones articuladas o contempladas. Es una pena porque la reducción de la fiabilidad puede causar estragos en la economía y el medio ambiente.

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