jakiro
Autor: Ryan McEnrush, socio de A16Z;
La red eléctrica es un sistema enorme y complejo compuesto de cables y centrales eléctricas, que es crucial para nuestra economía y la base de nuestra fuerza industrial.Actualmente, Estados Unidos enfrenta desafíos severos: se espera que la demanda de electricidad de los EE. UU. Aumente en 2040 debido a factores como la computación de inteligencia artificial, el reflujo y la «electrificación».Casi duplicado, pero nuestra infraestructura y operaciones de la red son difíciles de mantener al día.
Para confiscar el futuro rico en energía, debemos simplificar la producción, transmisión y consumo de electricidad;Cuadrícula eléctrica descentralizada.La construcción de grandes centrales eléctricas y líneas de transmisión de larga distancia es muy engorroso, pero las tecnologías como la energía solar, las baterías y los reactores nucleares avanzados han traído nuevas posibilidades.Son estas y otras tecnologías más «locales» las que pueden evitar el costoso cableado de larga distancia y desplegar directamente en el sitio,Esto ayudará a apoyar un crecimiento significativo en la carga en las próximas décadas..
Mientras que la expansión industrial histórica se basa en grandes centrales eléctricas centralizadas, el siglo XXI marca un cambio hacia la energía descentralizada e intermitente, de un modelo de «radiación central» a una red distribuida.Por supuesto, esta evolución trae nuevos desafíos y necesitamos innovación para cerrar la brecha.
Problemas de crecimiento
La cuadrícula de EE. UU. Consiste en tres principales redes de Internet: East, West y Texas, administrada por 17 coordinadores de NERC e ISO (operador de sistema independiente) e RTO (operador de transmisión regional) supervisan la economía y la infraestructura regionales.Sin embargo, la generación de energía y la transmisión reales son manejadas por compañías de servicios públicos locales o cooperativas.Esta estructura ha jugado un papel en una era de bajo crecimiento de la carga, pero la expansión de la infraestructura de la red para satisfacer las demandas de hoy se ha convertidoCada vez más desafiante y costoso.
Problemas de acceso
Utilizado por operadores de cuadrícula de energíaCola de accesoPara gestionar el nuevo acceso de activos, evalúe si la red puede soportar una nueva potencia en la ubicación sin desequilibrio y determinar el costo de las actualizaciones necesarias.Hoy en día, más de2000 GWEsperando acceso a la red, más de 700 GW de proyectos estarán solo en la cola en 2022.Esto esunoUn gran número: La capacidad instalada de toda la red eléctrica de EE. UU. Es de solo 1200 GW.
Pero en realidad, se han retirado muchos proyectos debido al costo de conectarse a la red.Históricamente, solo se han logrado el 10-20% de los proyectos en cola, que a menudo requieren más de 5 años después de que la aplicación finalmente se conecte, y esos tiempos solo se volverán más y más largos.Los generadores electrónicos a menudo presentan múltiples propuestas especulativas para identificar los puntos de acceso más baratos y luego retirar propuestas desfavorables después de que se conoce el costo, lo que complica los estudios de factibilidad.El operador de la red de California, Caiso, se vio obligado a dejar de aceptar cualquier solicitud nueva en 2022 y planea hacerlo nuevamente en 2024 debido al aumento en las solicitudes.
Este es un factor limitante de tasa clave y un controlador de costos en nuestra transición de energía.Un reciente informe del Departamento de Energía de los Estados Unidos encontró que para cumplir con el alto crecimiento de la carga para 2035, la transmisión intragional que integra nuevos activos debe aumentar en un 128% y la transmisión interregional debe aumentar en un 412%.Se espera que los pronósticos más optimistas crezcan al 64% y un 34% respectivamente.
Las reformas propuestas ayudan a aliviar esta acumulación de desarrollo.La Comisión Federal de Gestión de la Energía (FERC) está implementando una política de «primer por primer porfil» que filtra las propuestas y acelera las revisiones al aumentar las tarifas.La Comisión de Confiabilidad Electricidad de Texas (ERCOT) adopta un enfoque de «acceso y gestión» que permite un acceso más rápido, pero desconecta el proyecto si amenaza la confiabilidad de la red; esto está agregando nuevos activos de la red rápidamente ha logrado un gran éxito.Si bien estas políticas marcan el progreso, simplificar otras regulaciones como NEPA también es crucial para acelerar la construcción.
Pero incluso con la aprobación, la construcción de la red todavía enfrenta obstáculos de la cadena de suministro, que incluye más de 12 meses de tiempo de entrega, elevando el 400% en el precio de los grandes transformadores de potencia y la escasez de aceros especiales.Lograr el objetivo federal de desarrollar la fabricación de transformadores también depende del soporte para la industria del acero eléctrico, especialmente los próximos estándares de eficiencia energética de 2027.Todo esto sucede cuando el apagón de la cuadrícula (principalmente relacionado con el clima) alcanza su nivel más alto en 20 años, lo que requiere reemplazo de hardware.
Esto no incluye la entrega
En última instancia, la reforma de costos de la construcción de la infraestructura de la red eléctrica se manifiesta en el aumento de los precios al consumidor.El «precio minorista» que pagan los consumidores es una combinación de precio mayorista (el costo de generar electricidad) y los cargos de entrega (el costo de entregar electricidad a la infraestructura que necesita).De manera crucial, mientras que los precios baratos de generación de energía renovable y energía natural han disminuido, los precios de la transmisión de energía han aumentado considerablemente.
Este incidente es causado por muchas razones.Las empresas de servicios públicos utilizan facturas de distribución para compensar las pérdidas de la generación de energía de los clientes, con el objetivo de garantizar los ingresos de las inversiones de infraestructura de rendimiento fijo (similar a la contratación de defensa de costo-plus).El desarrollo de la energía renovable requiere la extensión de las líneas eléctricas a áreas remotas, que se usan menos debido a la intermitencia.Además, con el aumento de la electrificación y la autogeneración, las cargas se vuelven más inestables, y la infraestructura diseñada para la demanda máxima se vuelve ineficiente y costosa.
Los ajustes de políticas y del mercado están abordando estos crecientes costos de transporte, y la adopción masiva de sistemas de energía distribuidos, como la energía solar en la azotea, es un ejemplo notable.
El programa Net Energy Medering (NEM) de California inicialmente permitió a los propietarios de viviendas vender el exceso de energía solar a la red a precios minoristas, ignorando los costos de distribución de la empresa de servicios públicos.Los cambios recientes ahora esencialmente recompen la electricidad a precios mayoristas variables, reduciendo los ingresos para los propietarios de paneles solares durante los períodos de generación máxima, que a menudo son consistentes con el precio de electricidad más bajo.El ajuste extiende el período de recuperación de las instalaciones solares, lo que lleva a los propietarios y empresas a invertir en el almacenamiento de electricidad a vender energía cuando sea más rentable.
Los servicios públicos de California también propusieron un modelo de facturación donde las tarifas fijas dependen de los niveles de ingresos y las tarifas de uso dependen del consumo.La medida tiene como objetivo permitir que los clientes ricos tengan más costos de infraestructura de la red y protejan a las personas de bajos ingresos del aumento de los precios minoristas de la electricidad.Si bien esta política específica se ha suspendido recientemente para versiones similares pero menos extremas, tal idea podría llevar a que los usuarios ricos estén completamente fuera de la red.La traición puede hacer que los usuarios restantes paguen costos más altos y desencadenen una «espiral de muerte».Algunos creen que esto ha sucedido en el mercado eléctrico hawaiano, y algunas regiones se dirigen rápidamente a las bombas de calor eléctricas.
Mantener la luz encendida
La electricidad no es mágica;En cualquier momento,La potencia generada debe estar relacionada con la demanda de energíao coincidencias de «cargar»;En un nivel superior, la estabilidad de la red depende de mantener una frecuencia constante: 60 Hz en los Estados Unidos.
La congestión causada por la capacidad excesiva de la línea de energía (vertido de electricidad en la red) puede provocar límites de energía y diferencias de precios locales.Cualquier desviación de frecuencia también puede causar daños al generador y al equipo motor.El viento, la energía solar y las baterías, los recursos revertos que carecen de inercia, la estabilidad de la frecuencia compleja a medida que proliferan.En casos extremos, las desviaciones pueden provocar cortes de energía e incluso daños a los equipos conectados a la red.
Debido a la vulnerabilidad inherente de la red, los activos conectados a ella deben considerarse cuidadosamente para alinear la oferta confiable con la demanda predicha.El crecimiento de la alimentación intermitente (suministro no confiable) combinado con el aumento de la «electrificación» (aumento en la demanda) está trayendoseveroEl desafío.
¿Cuándo es suficiente, suficiente?
Alrededor de dos tercios de la carga se ve equilibrado por el mercado mayorista a través de (en su mayoría) subastas de hace unos días, donde el precio está determinado por el costo de la última unidad de electricidad requerida.La energía renovable no tiene un costo marginal y generalmente se ofrece más alta que otras fuentes de energía cuando está activa, lo que resulta en fluctuaciones de precios: los precios son extremadamente bajos cuando la energía renovable satisface la demanda, los precios se disparan cuando se necesita energía más costosa (nota: las ofertas son diferentes deCostos de energía de nivelaciónLcoe.)
La imprevisibilidad de la energía solar y eólica, así como el cierre de las plantas de energía de combustible fósil que envejece, ejerce presión sobre la estabilidad de la red.Esto puede conducir a cortes de energía (subproducción) y límites de potencia (sobreproducción), como el desperdicio de 2400 GWh en California en 2022.Abordar este problema requiere una inversión en mejoras de almacenamiento y transmisión de energía (que se describe a continuación).
Además, a medida que el suministro de electricidad se vuelve más impredecible, el gas natural juega un papel cada vez más importante debido a su rentabilidad y flexibilidad.El gas natural generalmente apoya la energía renovable a través de «plantas de energía máxima» que solo se inician cuando es necesario.En términos generales, la naturaleza intermitente de la energía solar y eólica hace que las centrales eléctricas de gas y otros tipos de centrales eléctricas sean rentables de manera intermitente, a veces incluso funcionando con pérdidas continuas debido a razones técnicas.Por lo tanto, cuando una «planta de energía máxima» establece precios al por mayor cuando las interrupciones de las energía renovable conducirán a costos más altos, lo que causará volatilidad a los consumidores.
La demanda de electricidad también está cambiando.Aunque las tecnologías como las bombas de calor están ahorrando energía, pueden conducir a cargas máximas en invierno cuando la generación de energía renovable es baja.Esto requiere que los operadores de la red conserven un cierto amortiguador de activos de energía y, a menudo, ignoren la energía renovable en la planificación de la adecuación de recursos.Los operadores de la red generalmente siguen la regla de «una décima», aceptando escasez de energía cada diez años, pero los cálculos reales son más complejos.En ERCOT, debido a la falta de mercados de capacidad tradicionales para reemplazar los incentivos de aumento de precios, hemos visto que las «reservas de emergencia» continúan creciendo a medida que la energía renovable ingresa a la red.
Las áreas como California también enfrentan una «curva de pato» que requiere que los operadores de la red aumenten rápidamente más de 20 GW de electricidad a medida que aumenta la luz del día y la demanda aumenta.Esto es técnica y económicamente desafiante para las fábricas que tienen como objetivo mantener la producción.
La naturaleza intermitente de la energía renovable puede incurrir en costos ocultos, obligando a los operadores de la red a asumir riesgos o invertir en nuevos activos.Si bien los costos de nivelación de energía evalúan la viabilidad económica del proyecto, simplifica demasiado el verdadero valor de los activos a la red más amplia.Sin embargo, LCOE resalta los desafíos económicos que enfrentan la construcción de nuevos activos, como las centrales nucleares.Aunque la energía nuclear es más costosa que el gas natural actual, proporciona una vía convincente y confiable para descarbonizar la electricidad.Solo necesitamos expandir la escala de la construcción del reactor.
Pero no podemos confiar únicamente en la energía nuclear.Confiar solo en una sola fuente de energía es arriesgado, como lo demuestran los desafíos nucleares que enfrentan Francia durante las sanciones energéticas rusas y el problema del gas en el clima frío en el sur de los Estados Unidos, sin mencionar las fluctuaciones de los precios de los productos básicos.Las áreas con grandes cantidades de energía renovable, como California, también enfrentan incertidumbre debido a su dependencia diaria de las importaciones.Incluso lugares como Islandia o Escandinavia que usan energía casi 100% limpia mantendrán opciones confiables de respaldo o importación durante una crisis.
Volverse inteligente
A medida que crece la demanda de electricidad, la red ha luchado por hacer frente a situaciones cada vez más complejas debido a fuentes de energía renovables descentralizadas e intermitentes.No podemos forzar esta transformación con la fuerza bruta;Realmente necesitamos ser inteligentes.
La cuadrícula actual es envejecida y «estúpida» y se basa en las centrales eléctricas para ajustar la producción en función de la demanda de pronósticos al tiempo que hace pequeños ajustes en tiempo real para garantizar la estabilidad.La cuadrícula fue diseñada originalmente para un flujo unidireccional de grandes centrales eléctricas, pero fue desafiado por el concepto de múltiples pequeños suministros de alimentación que proporcionan energía en todas las direcciones, como la energía solar en la azotea que carga el automóvil eléctrico de su vecino.Además, la falta de visibilidad real de las tendencias en tiempo real plantea problemas inminentes, especialmente en el nivel de distribución.
La energía solar residencial, las baterías, la energía nuclear y (posiblemente) geotérmica avanzada proporcionan electricidad dispersa, reduciendo la necesidad de construcción de infraestructura.Sin embargo, integrar una red cambiante e inestable todavía requiere soluciones innovadoras.Además, a través del almacenamiento local y la respuesta del lado de la demanda (como apagar el termostato cuando la red es ajustada), el uso efectivo de los sistemas de energía a escala de servicios públicos puede mejorarse significativamente, reduciendo así el período máximo de necesidad de construir activos subutilizados que están solo brevemente en línea.
La «cuadrícula inteligente» tiene como objetivo lograr todo esto y más y se puede dividir en tres grupos técnicos principales:
-
Delantero del medidor
-
Calificaciones de línea dinámica, transformadores de estado sólido, gestión de voltaje y sistemas de tendencias, mejores conductores, monitoreo de infraestructura, generación de energía a escala de cuadrícula, almacenamiento a escala de cuadrícula, etc.
-
Backend del medidor
-
Bombas de calor, electrodomésticos, energía solar residencial, almacenamiento de energía doméstica, cargadores de vehículos eléctricos, termostatos inteligentes, medidores inteligentes, micro reactores y pequeños reactores modulares, microrredes, etc.
-
Software
-
Plantas de energía virtual, mejor pronóstico, gestión de equipos, infraestructura de datos de energía, ciberseguridad, ADM, planificación de interconexión, herramientas financieras de energía, automatización de protocolo bilateral, etc.
Específicamente, hay dos tendencias principales que son cruciales para el futuro de la «red inteligente».
Primero, necesitamos construir una gran cantidad de instalaciones de almacenamiento de energía para suavizar las cargas máximas locales y estabilizar la fuente de alimentación intermitente a toda la red eléctrica.Las baterías de almacenamiento de energía ya son cruciales para los brotes de energía a pequeña escala, e incluso pueden cubrir más tiempo a medida que los precios continúan disminuyendo.Pero expandir el tamaño de la batería de cientos de GWH también requiere expandir la cadena de suministro.Afortunadamente, una fuerte situación económica puede continuar acelerando el despliegue;
El segundo es acelerar el despliegue e integración de redes de activos energéticos distribuidos.Todo lo que se puede usar para la alimentación será alimentado.Permitir que estos sistemas interactúen con los sistemas de energía en el hogar y la escala de la red requerirán una variedad de nuevas soluciones.Una colección de dispositivos «inteligentes», como vehículos eléctricos o termostatos, incluso puede formar centrales eléctricas virtuales que imitan el comportamiento de activos energéticos más grandes.
¿Cuál es el futuro?
Un desafío central en la expansión de la red es equilibrar cuidadosamente la transición entre los sistemas centralizados y descentralizados, al tiempo que tiene en cuenta los problemas económicos y de confiabilidad.Si bien las cuadrículas centralizadas (generalmente) (generalmente) también enfrentan fluctuaciones de demanda complejas y altos costos fijos, por ejemplo, la mayoría de las grandes centrales nucleares en todo el mundo están financiadas por el gobierno, y las redes descentralizadas aún se están desplegando. , pero no garantiza automáticamente la electricidad confiable, como sugieren las preferencias de algunas comunidades rurales en la India.
Debe quedar claro que la cuadrícula centralizada que tenemos hoy ciertamente no desaparecerá, de hecho, debe ampliarse, pero seráConsumido por la creciente red de activos descentralizados alrededor.Los contribuyentes adoptarán cada vez más autogenerando y almacenamiento, desafiando los monopolios de energía tradicionales y promoviendo reformas regulatorias y de mercado.Esta tendencia autogenerada alcanzará su punto máximo en industrias intensivas en energía que ponen especial énfasis en la confiabilidad: Amazon y Microsoft tienenPersiguiendo el centro de datos de energía nuclear, Debemos hacer todo lo posible para acelerar el desarrollo y el despliegue de nuevos reactores.
En términos más generales, los contribuyentes necesitan electricidad confiable, asequible y limpia, generalmente en este orden.La ubicación geográfica única de ERCOT, un mercado de «energía pura» fácil de innovar y las políticas de interconexión sueltas serán la clave para el enfoque para comprender si, cuándo y cómo se puede lograr esto a través de una cuadrícula descentralizada.No hay duda de que navegar con éxito esta transformación conducirá a un crecimiento económico significativo.
Crucialmente, la construcción de esta cuadrícula descentralizada requiere nuestros empresarios e ingenieros más talentosos:Necesitamos una «cuadrícula inteligente» que innove seriamente frente a los usuarios, detrás de los usuarios y la tecnología de software de la red y realice serias innovaciones en términos de tecnología de software de cuadrícula..Las tendencias de política y económica acelerarán este desarrollo de energía, pero la responsabilidad de garantizar que una red tan descentralizada funcione mejor que la antigua red recaude en el sector privado.
El futuro de la red eléctrica de EE. UU. Es utilizar nuevas tecnologías y adoptar los mercados libres para superar los desafíos de nuestra nación y allanar el camino para un panorama energético más eficiente y dinámico.Esta es una de las grandes causas del siglo XXI, pero debemos enfrentar los desafíos.
El mundo está cambiando rápidamente, y la red eléctrica debe cambiar en consecuencia.
