Todo lo que necesita saber sobre cómo funciona la red eléctrica de EE. UU.

Jan 07, 2024

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La red eléctrica de EE. UU. ha revolucionado por completo la vida, pero requiere atención, vigilancia e innovación constantes.

¿Cuál es la máquina más grande del mundo? La Liebherr R9800, la excavadora más grande del mundo, es una buena suposición. El transportador de orugas de la NASA, el monstruo mecánico con forma de tanque que transporta cohetes en Cabo Cañaveral, es otro competidor serio. Resulta que la máquina más grande del mundo está justo afuera de su puerta. Probablemente lo veas cuando vayas al supermercado. De hecho, probablemente lo estés usando ahora mismo.

La red eléctrica de América del Norte, que en realidad es un mosaico de cinco interconexiones más pequeñas, es considerada por algunos como la máquina más grande que la humanidad haya creado. Solo los EE. UU. contienen 600 000 millas de líneas de transmisión y 5,5 millones de millas de líneas de distribución (esos cables negros que alimentan de energía a su hogar). A decir de todos, es un logro de ingeniería impresionante, pero es uno que nunca se completa realmente.

Para que EE. UU. satisfaga sus crecientes necesidades de electricidad a medida que los automóviles, los hogares y las empresas abandonan los combustibles fósiles por energía verde, la red debe mantenerse al día con la demanda. Eso no solo significa actualizar la infraestructura existente mientras se invierte en más capacidad, sino también defender esta red vulnerable y en expansión de todo, desde tornados hasta terroristas.

La red eléctrica de EE. UU. no es un monumento al ingenio del pasado, sino un desafío para el nuestro. Así es como esta máquina pasó de ser una pequeña central eléctrica en la ciudad de Nueva York a un megaproyecto que abarca todo el continente; cómo funciona la red eléctrica y entrega electricidad a su hogar; y cómo necesita desesperadamente prepararse para la batalla energética que se avecina.

A las 3 pm del 4 de septiembre de 1882, un ingeniero que trabajaba en una central eléctrica en el centro de Manhattan cerró un disyuntor y, en cuestión de segundos, seis dínamos de carbón, 27 toneladas y 100 kilovatios cobraron vida con un rugido. Al proporcionar energía de corriente continua (CC) a los residentes dentro de aproximadamente un cuarto de milla, Pearl Street Station de Thomas Edison, la primera central eléctrica del mundo, suministró luz a 400 lámparas pertenecientes a unos 85 clientes iniciales.

Hoy, 400 lámparas parece un debut desfavorable, pero ese simple toque de un interruptor cambió la vida en la Tierra para siempre. El momento representó la culminación de siglos de avances eléctricos a medida que los científicos comenzaron a comprender la carga electrostática y el electromagnetismo, mientras que los ingenieros construían condensadores, baterías y, finalmente, centrales eléctricas completas. Esta particular tarde de verano en la ciudad de Nueva York representa el comienzo de la red eléctrica estadounidense.

En solo 140 años, esas 400 lámparas se transformaron en 4,24 billones de kWh de electricidad anual. ¿Cómo se transformó esta central eléctrica de Nueva York en la maravilla de la ingeniería que hace posible nuestra vida moderna?

Aunque Pearl Street Station inició una nueva era, el brillante futuro de la iluminación artificial primero necesitaba sobrevivir a la "Guerra de las Corrientes". En un rincón, la tecnología de CC de Edison ya demostró su valor, pero no podía transmitirse a largas distancias porque en ese momento, los ingenieros no podían aumentar su voltaje después de la generación. Debido a esta limitación tecnológica, las centrales eléctricas tendrían que ser tan frecuentes como los buzones de correo en las ciudades y pueblos. El centro de Nueva York, por ejemplo, se convirtió en una jungla de vigas transversales y cables eléctricos, y un testigo dijo en ese momento: "Había bosques de postes en el centro... y los bomberos tenían grandes dificultades para subir sus escaleras".

Pero otro inventor y ex empleado de Edison llamado Nikola Tesla, respaldado por el inventor y empresario George Westinghouse, ideó un motor de inducción que usaba "corriente alterna" o CA, que era más fácil de generar y experimentaba menos pérdida de energía porque su voltaje podía aumentarse y disminuirse. gracias a los transformadores. La guerra se prolongó hasta fines de la década de 1880, con algunas partes desagradables que involucraron electrocuciones públicas, pero AC lentamente avanzó.

En la década de 1890, varias estaciones generadoras de CA en Colorado, Oregón y California comenzaron a proporcionar energía de larga distancia a los residentes. En 1892, Edison Electric unió fuerzas con un competidor de energía de CA y formó General Electric. Al año siguiente, Westinghouse Corporation obtuvo la aprobación para alimentar la Exposición Colombina Mundial con corriente alterna.

A medida que la Guerra de las Corrientes pasó de hervir a fuego lento, la generación eléctrica explotó en todo el país. Muchas plantas eléctricas salpicaron las ciudades de los EE. UU. y proporcionaron energía a nuevos inventos como los carritos, pero fue en Chicago donde comenzó a tomar forma un atisbo del sistema eléctrico moderno.

La persona que lideró la red eléctrica estadounidense hacia el futuro fue el empresario y empresario Samuel Insull. Cuando Insull llegó a Chicago en 1892, la ciudad estaba alimentada por 20 compañías eléctricas diferentes. Después de convertirse en presidente de la compañía Chicago Edison, Insull aumentó rápidamente el factor de carga, adoptó turbinas de vapor más eficientes, se convirtió en un defensor de la energía de CA y rápidamente compró otras compañías para convertir las centrales eléctricas de la competencia en subestaciones. En 15 años, Insull compró más de una docena de servicios públicos de energía y rebautizó a su compañía como Commonwealth Edison, la empresa de servicios públicos más progresista y de menor costo del mundo.

Muchas empresas eléctricas pronto copiaron el éxito de Insull y, a medida que estas empresas crecieron, se volvieron temidas como monopolios difíciles de manejar. Pero debido a las inversiones masivas necesarias para ser una empresa de servicios públicos, los economistas vieron a estos titanes de energía en crecimiento como "monopolios naturales", donde la capacidad de aprovechar el poder de turbinas masivas requería grandes cantidades de capital. Los gobiernos respondieron creando servicios municipales o regulados por el estado y, a medida que los EE. UU. se electrificaban cada vez más, el presidente Franklin Roosevelt aprobó una serie de regulaciones para promover la competencia mientras expandía la electricidad a las áreas rurales donde los servicios públicos obtenían pocos o ningún beneficio.

Finalmente, en vísperas de la Segunda Guerra Mundial, la red eléctrica moderna de los EE. UU. comenzó a tomar forma. Para evitar apagones y escasez de electricidad, el gobierno federal comenzó a exigir interconexiones entre las empresas de servicios públicos. Esto significaba que si había una escasez de energía en Boston, la electricidad generada en Ohio podría tomar el relevo. En la década de 1960, las interconexiones del Este y el Oeste (junto con la Interconexión de Texas, más pequeña y políticamente motivada) suministraban la mayor parte de la energía de los EE. UU. Aunque estas dos redes principales están sincronizadas, solo tienen conexiones limitadas entre ellas (excepto por un breve período de 8 años cuando la red eléctrica de EE. UU. era realmente de costa a costa).

A lo largo del siglo XX, los avances en el aumento y la reducción del voltaje de CC mejoraron enormemente cuando finalmente, en 1990, el primer gran sistema de corriente continua de alto voltaje (HVDC) comenzó a suministrar energía a Nueva Inglaterra. Los sistemas HVDC pueden ser más costosos ya que requieren convertidores tanto en la planta de energía como en las subestaciones locales, pero la electricidad puede viajar distancias más largas de manera más eficiente que los sistemas de CA de alto voltaje (HVAC). Hoy en día, se prefiere HVDC cuando la electricidad necesita viajar más de 400 millas, un pequeño premio de consolación para Thomas Edison.

📍Appleton, Wisconsin

Solo un par de semanas después de que Edison accionara el interruptor de la central eléctrica de Pearl Street, otro tipo de generador eléctrico entró en funcionamiento en Appleton, Wisconsin. Al proporcionar 12 ½ kilovatios a tres edificios, la central eléctrica de Vulcan Street se considera una de las primeras formas de energía hidroeléctrica moderna en el mundo. La planta era más barata que las plantas productoras de vapor como Pearl Street, y cuatro años después de que se puso en marcha por primera vez el 30 de septiembre de 1882, se construyeron unas 50 plantas hidroeléctricas similares en todo EE. UU.

📍Cleveland Ohio

Cincuenta pies de diámetro con 144 palas de rotor hechas de cedro, la primera turbina eólica de los EE. UU. fue realmente un espectáculo para la vista. Construida por el inventor Charles Brush en el invierno de 1888, la turbina descansaba detrás de su mansión de Cleveland y generaba alrededor de 1200 vatios de potencia, más que suficiente para alimentar las 100 bombillas de la casa de Brush. Hoy en día hay unas 70.800 turbinas repartidas por EE. UU.

📍Folsom, California

Aunque Pearl Street Station representa los primeros días de la alimentación de CC, el equivalente de CA no se puso en línea hasta el 13 de julio de 1895. Folsom Powerhouse fue la primera central eléctrica en enviar corriente alterna trifásica (60 Hz) de alto voltaje usando líneas de transmisión de larga distancia (alrededor de 21 millas) a Sacramento. La central eléctrica iluminó el edificio del capitolio estatal junto con otros negocios, y sigue siendo un ejemplo sorprendente de la red actual antes del comienzo del siglo XX.

📍 Shippingport, Pensilvania

En 1942, el físico Enrico Fermi demostró que era posible crear un reactor nuclear artificial con su Chicago Pile-1, pero pasarían otros 15 años antes de que la primera central nuclear comercial del mundo entrara en funcionamiento. Como parte del programa "Átomos para la paz" del presidente Eisenhower, la planta, ubicada en el río Ohio a 25 millas de Pittsburgh, agregó su primera energía producida por fisión a la red el 18 de diciembre de 1957.

📍San Luis Obispo, California

De 1983 a 1994, Carrizo Plain fue el hogar de la primera planta solar fotovoltaica a escala industrial del mundo. Con mucho, el más grande de la nación, si no del mundo, la matriz lucía 100,000 paneles solares de uno por cuatro pies que producían 5.2 megavatios de energía en su punto máximo. Hoy en día, unos nueve millones de módulos solares de telururo de cadmio ocupan el terreno como parte de Topaz Solar Farm, una de las instalaciones más grandes del mundo.

Aunque la red eléctrica ha crecido en tamaño y complejidad desde sus orígenes a fines del siglo XIX, su función general sigue siendo prácticamente la misma (aunque con componentes más eficientes y potentes). Debido a que la capacidad de almacenar energía es compleja y costosa, la electricidad se genera bajo demanda, lo que significa que los voltios que encienden una bombilla en su casa se generaron microsegundos antes en una planta de energía posiblemente a cientos de millas de distancia a medida que las ondas electromagnéticas se propagan a lo largo de los cables a la velocidad de la luz. . Para ir de la planta de energía a su hogar, la red eléctrica opera en tres etapas: generación, transmisión y distribución.

Las centrales eléctricas utilizan fuentes de energía secundaria, originalmente carbón, pero cada vez con más frecuencia gas natural o fisión., para crear turbinas de vapor y giratorias que generan electricidad mediante inducción electromagnética. Dado que la generación de electricidad es responsable del 31 por ciento de la huella de carbono de los EE. UU. (la fuente más grande del país), las políticas de energía verde presionan para reemplazar los combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural con alternativas limpias como la energía solar, eólica, hidráulica o nuclear.

Estas turbinas eléctricas crean lo que se conoce como energía de CA trifásica. Con la onda sinusoidal de una corriente alterna que normalmente oscila 60 veces (hercios) por segundo, la energía experimenta picos y valles. Esto está bien para nuestros hogares y la mayoría de los equipos simples, pero la maquinaria que consume mucha energía requiere alimentación de CA trifásica. La compensación de las ondas sinusoidales en 120 grados garantiza que la energía siempre se acerque a un pico en un momento dado.

Luego, las centrales eléctricas transmiten esta energía de CA trifásica a un transformador en la planta misma que aumenta el voltaje para la transmisión, que va desde 155,000 hasta 500,000 voltios y más. Cuanto mayor sea el voltaje, menor será la corriente, lo que significa que menor será la resistencia de energía a través de un conductor.

Con un transformador que aumenta la energía, las líneas de transmisión llevan esa energía de alto voltaje a las subestaciones repartidas en cientos de millas (mucho mejor que el cuarto de milla original de Edison). Estas torres de transmisión a menudo llevan cuatro (o siete) cables con cada conjunto de tres cables que lleva una de las tres fases de CA, siendo el séptimo un cable de tierra para protección contra rayos. Junto con estos cables, las torres de transmisión también tienen grandes aisladores de disco de cerámica o porcelana para conectar los cables conductores a la torre.

Aunque estas gigantescas torres a menudo se consideran antiestéticas (algunos países incluso han tratado de clasificarlas un poco), su gran tamaño ofrece muchos beneficios de seguridad. La más obvia es que protege a las personas y a los automovilistas de acercarse demasiado a los cables y posiblemente crear un arco eléctrico; el arco eléctrico resultante puede causar incendios e incluso la muerte. De manera similar, los cables ampliamente espaciados permiten que el aire aísle los conductores, lo que también evita un arco eléctrico. Siendo esencial que estos conductores se mantengan alejados de cualquier posible escombro, las líneas de transmisión a menudo se colocan en campos abiertos o se les da mucho espacio a través de una sección despejada del bosque.

Después de recorrer estas líneas de transmisión de alto voltaje, la electricidad llega a una subestación local. Probablemente hayas visto estas áreas cercadas que parecen una loca colección de torres de alta tensión perfectamente adecuadas para el laboratorio de algún científico loco. Aunque estas subestaciones tienen muchas funciones complicadas, incluidos interruptores automáticos para desconectarse de la red eléctrica o de líneas de distribución específicas, el resultado final es que la electricidad de alto voltaje se reduce a menos de 10 000 voltios (generalmente alrededor de 7200 voltios) y pasa a un bus de distribución y luego a líneas de distribución separadas. Estos son los cables que eventualmente llegan fuera de su hogar, ya sea en postes de servicios públicos o enterrados bajo tierra.

Finalmente, un cable monofásico se extiende fuera de su hogar y un transformador de distribución reduce el voltaje por última vez de unos pocos miles de voltios a los 240 voltios típicos que requiere su hogar. A partir de ahí, el disyuntor de la casa dirige la electricidad a los tomacorrientes mientras protege la casa de sobrecargas. Un medidor inteligente ubicado fuera de su hogar realiza un seguimiento de la cantidad de energía que usa y le factura cada mes en consecuencia.

Pájaro en un alambre | Con tantos voltios corriendo a través de las líneas de transmisión y distribución, ¿por qué las aves no se asan regularmente mientras están sentadas en postes y cables de servicios públicos? En pocas palabras, la electricidad es el movimiento de electrones que fluyen de un potencial eléctrico a otro. Debido a que las aves tienen el mismo potencial que el cable, nuestros amigos emplumados no reciben una descarga desagradable ya que la electricidad permanece en el cable. Pero el hecho de que las aves estén posadas en cables todo el día no significa que estén completamente seguras. A veces, un pájaro se posará en un poste de electricidad mientras toca simultáneamente un cable. Debido a que el poste está conectado a tierra, la electricidad viajará a través del pájaro hasta el suelo. Un estudio de 2014 estima que 11,6 millones de aves mueren anualmente por descargas eléctricas en los EE. UU. La colocación de conductores más separados, la instalación de aislamiento y la construcción de extensiones en la parte superior de los postes para posarse de manera más segura pueden ayudar a evitar que las aves tengan un final electrizante y al mismo tiempo mejorar la confiabilidad de la red. En 2022, un solo pájaro provocó que 10 000 clientes se quedaran sin electricidad en Nueva Orleans, una prueba más de que una red amigable con las aves es una red amigable con los humanos.

La red eléctrica de EE. UU. es una maravilla de la ingeniería moderna, pero al igual que otros megaproyectos de EE. UU., el sistema está mostrando su edad. La Administración Biden estima que el 70 por ciento de la red eléctrica tiene más de 25 años, y la red también necesita aumentar la capacidad actual para 2050 para mantenerse al día con las necesidades energéticas. De manera crucial, EE. UU. necesita agregar al menos un 60 por ciento más de líneas de transmisión para entregar una cantidad cada vez mayor de energía limpia desde el soleado y ventoso interior de EE. UU. a las comunidades a lo largo de la costa. Puede desarrollar la generación de energía limpia tanto como desee, pero sin suficiente infraestructura para transmitir esa energía, es inútil.

La capacidad es solo uno de los desafíos que enfrenta la red eléctrica, el otro es el hecho de que las empresas de servicios públicos son un objetivo fácil para los ataques cibernéticos. La red eléctrica es el objetivo más tentador para cualquier país que desee causar estragos en los EE. UU. debido a su inmenso tamaño e importancia para la vida cotidiana. El problema se ve agravado por la introducción de la "red inteligente" y la "internet industrial de las cosas", que ha aumentado la eficiencia y la confiabilidad al unir los sistemas de control industrial con Internet, abriendo la red a una gran cantidad de vulnerabilidades potenciales.

Un ataque cibernético a una empresa de servicios públicos en Ucrania dejó a la gente sin electricidad en 2015, mientras que otro ataque afectó a la empresa de agua de Israel en 2020. Al año siguiente, el Secretario de Energía de EE. UU. confirmó que los adversarios de EE. UU. probablemente tengan la capacidad de cerrar la red eléctrica de EE. UU. Un informe de 2021 detalla que las empresas de servicios públicos deben implementar la detección de amenazas, coordinar con las agencias gubernamentales la respuesta y recuperación de ciberataques y hacer que los sistemas de energía sean más resistentes (entre otras cosas).

Pero la mayor amenaza inminente para la red eléctrica, que probablemente empeora aún más los otros desafíos del sistema, es el cambio climático. Los eventos climáticos extremos como incendios forestales, huracanes y heladas profundas como la que llevó a Texas a una crisis en 2021 (aunque la interconexión de Texas es su propio desastre) se convertirán en la norma, y ​​la red eléctrica deberá fortalecerse para poder rodar. con estos golpes ambientales.

Entonces, ¿cómo es la red eléctrica del futuro? Bueno, el plan actual es crear un sistema de energía 100 por ciento limpia para 2035, y para alcanzar ese ambicioso objetivo, es probable que EE. UU. necesite construir nuevos sistemas de energía limpia, invertir en tecnologías de fisión nuclear de última generación y continuar contribuyendo a la colaboraciones para desarrollar el santo grial de los sistemas de energía limpia: la fusión nuclear. Mientras tanto, también es esencial que la red de EE. UU. aumente la capacidad y la resiliencia, ya sea contra piratas informáticos o un clima cada vez más tempestuoso.

Pero también se necesitarán otras innovaciones para garantizar que la red eléctrica esté completamente preparada para el futuro. Una gran área de inversión es el desarrollo de métodos eficientes para almacenar energía para hacer que la red responda mejor cuando el sol no brilla o el viento no sopla. Esto podría incluir baterías de iones de litio convencionales o ideas más novedosas, como baterías de gravedad o baterías de hierro-aire que aprovechan el potencial de almacenamiento de energía de la oxidación (también conocido como óxido).

El Laboratorio Nacional de Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU. también recomendó vincular las tres interconexiones dispares de EE. UU. Un verdadero sistema de red nacional que aproveche la potencia de las líneas de transmisión HVDC cada vez más asequibles podría transportar la energía solar desde la soleada California hasta la cubierta de nieve de Nueva Inglaterra y hacer que la red sea aún más resistente frente a los desastres naturales. Por el contrario, las microrredes adicionales que alimentan infraestructura importante como los hospitales podrían garantizar que los cortes de energía no afecten los servicios de salud cruciales.

Pero el mayor desafío será actualizar la infraestructura energética que ya está envejeciendo mientras aumenta la capacidad a medida que EE. UU. comienza a electrificar sus automóviles, estufas, hornos y básicamente todo lo demás.

Durante 140 años, la red eléctrica de EE. UU. ha revolucionado por completo la vida, pero no es una creación única. Requiere cuidado, vigilancia e innovación constantes para asegurarse de que continúa mejorando la vida de las personas que usan esa energía, junto con el planeta que todos llamamos hogar.

Darren vive en Portland, tiene un gato y escribe/edita sobre ciencia ficción y cómo funciona nuestro mundo. Puedes encontrar sus cosas anteriores en Gizmodo y Paste si buscas lo suficiente.

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