Pensador flexible: este ingeniero de investigación de GE está ayudando a modernizar la red eléctrica

Al crecer en Senegal, Ibrahima Ndiaye pasó mucho tiempo desmontando radios, arreglando televisores y aprendiendo matemáticas con su padre, profesor de una universidad local. Luego estudió ingeniería eléctrica en Marruecos, obtuvo su doctorado en Canadá y hace una década aterrizó en GE Research, en Niskayuna, Nueva York.

Su primera tarea fue buscar formas de modernizar la red eléctrica, esas enormes redes eléctricas con millones de ramas que van desde las centrales eléctricas hasta los hogares y las empresas y que a veces transportan electricidad a través de países enteros. Para Ndiaye, el omnipresente transformador era un buen punto de partida. Hay pocas partes de la red más importantes que el transformador. Su función básica es aumentar el voltaje en la planta de energía para una transmisión eficiente a través de cables de alto voltaje. En el otro extremo, a veces a cientos de kilómetros de distancia, otra serie de transformadores reducen el voltaje para que pueda llegar de forma segura al enchufe de la pared.

Pero aquí está el problema: el transformador es esencialmente un fósil viviente que data de los albores de la electricidad, y su diseño es prácticamente el mismo. Ndiaye quiere cambiar eso. Él está liderando la tarea de desarrollar un nuevo tipo de transformador "flexible" que podría ayudar a proteger la red de contingencias como fallas en las líneas eléctricas o condiciones climáticas extremas, ayudar a prevenir cortes severos y restaurar la energía más rápido cuando ocurren, y ayudar a los operadores a poner en línea más energías renovables. . Al mismo tiempo, también podría hacer que la construcción y el mantenimiento de la red moderna sean más baratos.

El año pasado, GE y Prolec GE, una subsidiaria de una empresa conjunta 50-50 entre GE y la empresa privada Xignux, pusieron a prueba con éxito lo que se cree que es el primer transformador de potencia flexible del mundo en Columbia, Mississippi, en un sitio operado por Cooperate Energy. , una empresa de servicios públicos local. La Oficina de Electricidad del Departamento de Energía de Estados Unidos financió el proyecto. Los ingenieros del sitio pudieron ejecutar el dispositivo a través de una serie de pruebas y ejercicios de campo para validar con éxito su rendimiento. Esta tecnología es parte de una cartera integral de tecnologías de hardware y software de red que GE está avanzando para ayudar a transformar la red y llevarla al siglo XXI. (A partir de 2024, Ndiaye formará parte de un grupo de investigadores alineados con el nuevo centro de investigación avanzada de la empresa planificada GE Vernova, uno de los tres laboratorios de investigación líderes en la industria que se crearán a partir de GE Research cuando se complete la rotación de la empresa.*)

"El diseño del transformador flexible surgió de la necesidad de tener un dispositivo que fuera un poco más versátil", afirma Ndiaye. "Hoy en día, los transformadores son muy caros y su adquisición lleva mucho tiempo".

Equilibrio de la red

Es difícil exagerar la importancia de la red eléctrica cuando se trata de cumplir los objetivos de emisiones netas cero en las próximas décadas. Los países están pasando del carbón al gas natural, agregando almacenamiento de energía hidroeléctrica, construyendo turbinas eólicas y estudiando la próxima generación de reactores nucleares. Un componente común a todos estos esfuerzos es la red eléctrica. Y a pesar de su enorme tamaño, siempre deben mantener un delicado equilibrio entre la demanda y la oferta para evitar que el sistema colapse.

Este acto de equilibrio fue bastante difícil cuando la energía pasó de las centrales eléctricas convencionales con una producción predecible a los consumidores. Agregar al tira y afloja cargas altamente variables y que consumen mucha energía, como vehículos eléctricos, y fuentes de energía dependientes del clima, como parques eólicos y solares, incluidos los propietarios de viviendas con paneles en los tejados que ahora pueden vender energía a la red, eleva esta complejidad a un nivel nuevo nivel.

"La red es el sistema industrial más grande construido por la humanidad", dice Vera Silva, directora de tecnología de la unidad Grid Solutions de GE Renewable Energy. Ella dice que la red moderna debe "facilitar el acceso" a todas estas fuentes y al mismo tiempo garantizar "que el sistema funcione como un reloj suizo".

Mantener todo en equilibrio y funcionando (en una era en la que los fenómenos meteorológicos anormales pueden de repente poner de rodillas a partes del sistema eléctrico) es aún más impresionante cuando te das cuenta de que gran parte de la tecnología que forma la columna vertebral de la red se inventó hace más de una década. hace siglo.

"Como gran parte de la red, el diseño de los transformadores no ha cambiado en los últimos 100 años", dice Ndiaye. “Si William Stanley, el inventor que construyó el primer transformador práctico, viniera hoy, señalaría un transformador y diría: 'Oye, este es mi diseño'. Agregamos un poco de control y monitoreo aquí y allá, pero en general, nada ha cambiado'”. (Stanley fusionó su negocio de transformadores con GE en 1903).

Otros factores a considerar: hoy en día, alrededor del 70% de los transformadores en la red tienen más de 25 años, y alrededor del 15% ya alcanza o supera su esperanza de vida promedio de 40 años.

La razón por la que los transformadores son caros y difíciles de conseguir es porque "se adaptan a la aplicación que desea una empresa de servicios públicos, la ubicación a la que va, el voltaje que manejará, cuál será la potencia que necesitará y otros factores", dice. Ndiaye. “El fabricante lo diseñará exactamente de esa manera. Como resultado, sólo puede prestar servicio en esa ubicación o en una ubicación idéntica”.

Es como ir a una tienda y comprar una radio que está sintonizada en una sola estación (por ejemplo, NPR en la ciudad de Nueva York) y viene con un volumen preestablecido para que puedas escucharla en casa. Pero si lo llevas al ruidoso Times Square o a otra ciudad, no tendrás suerte si quieres escuchar tu programa favorito.

El transformador flexible se parece más a un aparato de radio tradicional. Básicamente, permite a los operadores de la red "sintonizar" sus transformadores en los lugares donde quieren que funcionen. “Hoy en día, si tengo que reemplazar un transformador, o si falla, tengo que tener uno listo exactamente como un gemelo; de lo contrario no iré a ninguna parte”, dice Ndiaye. “Si no tengo uno de repuesto, tengo que esperar dos o tres años para que llegue uno. Si estás transportando mucha energía y de repente ya no puedes hacerlo durante un largo período de tiempo, pierdes mucho. de confiabilidad”.

Como resultado, las empresas de servicios públicos tienen muchos transformadores de repuesto, lo que puede resultar costoso. “Si tengo 20 transformadores diferentes, técnicamente necesito 20 repuestos”, afirma Ndiaye. Pero con el transformador flexible, “podré hacer funcionar la misma cantidad de transformadores con la misma confiabilidad con un repuesto. Piense en cuánto le ayudará esto a reducir el costo de su inventario”.

Ser capaz de reconfigurar el transformador flexible en una ubicación donde sea necesario y reducir drásticamente los costos será un gran beneficio. Pero hay más. El transformador flexible también viene con una nueva “perilla” que permite a los operadores alterar la impedancia del transformador, algo así como cambiar el volumen al que suena la radio. Esto es algo que no podían hacer antes. La impedancia es esencialmente resistencia en circuitos que usan corriente alterna (CA), y cambiarla a su gusto para responder a las condiciones en tiempo real permite a los operadores de la red cambiar la condición de la red y configurarla dinámicamente en condiciones más óptimas, por ejemplo, para generar más energía volátil. de fuentes renovables en línea. La producción de una granja solar puede cambiar de un minuto a otro cuando las nubes se mueven, lo que podría alterar el delicado equilibrio entre oferta y demanda que debe existir en la red.

Hoy en día, cuando la producción eólica disminuye, las empresas de servicios públicos pueden solicitar más generación de otras fuentes, a veces utilizando combustibles fósiles, o deben reconfigurar sus líneas y cambiar el flujo de energía. Pero el transformador flexible también puede ayudar en este caso. “Imagínese lo grande que es la red y todos los incidentes que pueden ocurrirle a ese equilibrio, tan pequeños como encender y apagar una luz, y más grandes, como una turbina eólica que no funciona como se esperaba debido a una brisa débil, o una nube que se mueve hacia adentro. sobre una granja solar”, dice Ndiaye. “Cuando tienes muchas energías renovables, tu energía puede desaparecer rápidamente. Por eso necesita controles mucho más rápidos y equipos flexibles para trabajar con ellos. Poder cambiar la impedancia puede ayudarte a mejorar el control de la línea y hacerla más estable y óptima”.

Ser capaz de cambiar la impedancia también puede ayudarles a gestionar las interrupciones. Por ejemplo, pueden aislar más rápidamente partes de la red que pueden haber sufrido daños, por ejemplo, debido a una tormenta severa, y proteger otras partes del sistema de la cascada de fallas.

Una de las características brillantes del nuevo transistor flexible es que el equipo ha logrado introducir la nueva tecnología en el mismo espacio que ocupan los transformadores existentes. Esto es útil, dado que los transformadores viven en subestaciones, que a menudo están ubicadas en lotes que pueden ser difíciles de expandir, particularmente en las ciudades cercanas. El diseño también utiliza materiales probados como cobre, acero y aceite mineral para acelerar la producción, las pruebas y la adopción.

Tras la finalización exitosa del programa con el Departamento de Energía de Estados Unidos, Ndiaye se mostró eufórico. “Esta es la primera vez en el mundo que alguien lo hace. El transformador está haciendo aquello para lo que fue diseñado y tiene el potencial de ser una tecnología transformadora para revolucionar la red y enfrentar los desafíos a medida que avanzamos hacia una red energética con bajas emisiones de carbono”.

* Estos planes pueden estar sujetos al resultado de consultas legalmente obligatorias en algunas partes del mundo.