Digamos que quiere estudiar algo grande, como una red eléctrica comunitaria, un enorme sistema de tuberías o carreteras que atraviesan todo Estados Unidos, pero nada de eso existe, al menos no todavía.¿Cómo se estudian estos laberintos invisibles para asegurarse de que sean seguros y eficientes?

Buena pregunta, y aquí está la respuesta: eso se hace en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) en una plataforma llamada Investigación Avanzada sobre Sistemas Energéticos Integrados (o ARIES, para abreviar).

Los expertos del NREL han creado una plataforma de investigación que puede crear simulaciones 3D de redes eléctricas completas, ya sean existentes o teóricas, que contienen miles o incluso millones de tecnologías energéticas diferentes.Por ejemplo, los investigadores pueden llenar una cuadrícula existente conturbinas eólicas,paneles solares, baterías, instalaciones nucleares, vehículos eléctricos o incluso dispositivos inteligentes, como nuestros teléfonos móviles, para ver cómo podrían afectar a nuestra futura red.

Pero hasta hace poco, una pieza del rompecabezas no había estado bien representada.

"Lo que faltaba es: ¿Cómo podemos simular o representar dispositivos de energía hidráulica?"dijo Rob Hovsapian, uningeniero mecanicoen NREL y asesor de investigación de ARIES que ayudó a presentarenergía hidroeléctricaen la plataforma.

Con ARIES, los investigadores pueden desarrollar y planificar casi cualquier escenario futuro de red.Por ejemplo: ¿Cómo podrían impactar enormes cantidades de energía renovable en diferentes redes comunitarias?¿Y cómo podría la energía hidroeléctrica ayudar a nuestro sistema eléctrico a capear huracanes, olas de frío, ataques cibernéticos y otras perturbaciones?

"Nos permite hacer esos escenarios hipotéticos", dijo Hovsapian."En el mundo real, estás limitado a lo que hay".

Ahora podemos preguntarnos "qué pasaría si" acerca de las tecnologías de energía hidráulica, como la hidroeléctrica y la más incipiente energía marina (a veces llamadaenergía oceánicaporque a menudo proviene de poderosas olas, corrientes y mareas del océano, pero también puede referirse a la energía de las corrientes de los ríos).

Aunque son muy diferentes, ambas tecnologías de energía hidráulica generan energía predecible, lo que las convierte en socios confiables para fuentes de energía más variables, comoenergía eólicay energía solar.Esas energías renovables, junto conalmacenamiento de energía(como las baterías), forman parte de ARIES desde hace un buen tiempo.Llegó el momento de echar un poco de agua a la mezcla.

"Ahora que podemos utilizar ARIES para simular la energía hidroeléctrica, podemos estudiar más escenarios en más lugares e incluso posibles sistemas energéticos futuros", dijo Jerry Davis, director del programa de laboratorio de ARIES."Queremos representar tantas fuentes de generación renovable como podamos".

Pero eso es más difícil de lo que parece.

Un simulador de energía hidroeléctrica ayuda a una remota aldea de Alaska

Cuando los pescadores regresan al puerto en la remota aldea de Cordova, Alaska, entran en una cala llena de puntas de mástiles que se asemejan a cientos de agujas de mini-iglesias.

Esos pescadores –y hay muchos en Córdoba– traen salmón, fletán, pez roca y trucha, pero también algo menos deseable: un aumento del 400% endemanda de energía, lo que puede sobrecargar la microrred de la pequeña aldea, un sistema de energía independiente que depende de sólo dos plantas hidroeléctricas y generadores diésel (y el diésel debe transportarse en avión o en barco, a menudo con un gran costo).

Y eso es un problema.

La microrred de Cordova (y todo lo que alimenta, incluidos hospitales y hogares) es vulnerable a los picos en la demanda de energía debido a la bonanza pesquera del verano y los inviernos peligrosamente fríos de Alaska, así como a fenómenos climáticos extremos, como avalanchas y sequías.La aldea necesitaba soluciones: formas novedosas para que su microrred se balanceara y se entrelazara con todos estos cambios, de modo que pudieran adaptar el suministro de energía a la demanda, especialmente cuando su economía o sus vidas dependían de ello.

Pero no se puede simplemente jugar con un sistema tan crítico, esperando que sus manipulaciones no causen un apagón o un daño irreparable.Tampoco se puede estudiar algo que no existe, como baterías o paneles solares que aún no se han instalado.

Ahí es donde entran NREL y ARIES.

El pueblo estabauna de las primeras comunidades en beneficiarse directamente de la plataforma de emulación de energía hidroeléctrica de ARIES, que, como el resto de ARIES, se basa en hardware y software para simular con precisión la telaraña de dispositivos energéticos de la ciudad.

Los programas de software de ARIES, que se basan en datos del mundo real, pueden imitar redes reales (como la microrred de Cordova), de modo que los investigadores pueden manipular el sistema Cordova con la seguridad de una simulación por computadora.Pronto, ARIES también podrá conectar hardware real, como un generador hidroeléctrico, a estas simulaciones virtuales para que el sistema pueda recibir retroalimentación en vivo de tecnología real y aprender de ella.

Para la energía hidroeléctrica, la capacidad de simulación de ARIES es especialmente valiosa.Aunque los investigadores pueden instalar paneles solares experimentales y turbinas eólicas en un laboratorio, no pueden replicar plantas hidroeléctricas: simplemente son demasiado grandes y específicas para ciertos sitios fluviales o geografía.

En cambio, Mayank Panwar, ingeniero de investigación senior del NREL, y Hovsapian construyeron lo que ellos llaman unPlataforma de emulación de energía hidroeléctrica en tiempo real, que puede imitar instalaciones hidroeléctricas del mundo real en tiempo real: un segundo en el simulador hidroeléctrico equivale a un segundo en el mundo real.A día de hoy, su emulador de 2,5 megavatios utiliza datos de centrales hidroeléctricas reales (incluidas las de Córdoba) para fundamentar sus simulaciones.

"A medida que agregamos más y más tecnologías a ARIES y hay cada vez más variabilidad e incertidumbre en la red, como la eólica y la solar, la energía hidroeléctrica desempeñará un papel clave para proporcionar estabilidad a la red", dijo Hovsapian."¿Pero cómo cuantificaríamos eso? ARIES será un entorno ideal para que lo hagamos".

Con ARIES, Hovsapian puede hacer más preguntas de tipo "¿qué pasaría si?", como qué pasaría si esta planta hidroeléctrica en Córdoba estuviera combinada con una batería de 10 megavatios o 3 megavatios de paneles solares en lugar de 1?¿Y cómo afectan estos cambios a la confiabilidad de la red?Gracias a ARIES, Cordova tiene sus respuestas y también una red más resiliente.

Ningún otro sistema en el mundo puede realizar este tipo de simulación plug-and-play, afirmó Hovsapian.

Y no es sólo la energía hidroeléctrica la que se beneficia.

Llevar la energía marina a las comunidades rápidamente

La energía marina aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo, pero estas tecnologías pueden ser fuentes valiosas de energía limpia para las comunidades que cuentan con abundante agua corriente y poco más.Al igual que Córdoba, la aldea de Igiugig, en Alaska, también depende de costosos envíos de combustible diésel.Muchas comunidades isleñas frente a la costa de Maine luchan por mantener un suministro eléctrico estable cuando el clima azota.

Las comunidades de Hawái, donde los costos de la energía suelen ser más altos que en el resto del país, también suelen depender de costosos combustibles importados.

Y, sin embargo, estas tres áreas tienen algo poderoso en común: grandes cantidades de agua.Con la energía de las corrientes de los ríos, las olas y las mareas, cada comunidad podría mejorar su resiliencia energética y potencialmente también alcanzar sus objetivos de energía limpia.

Sólo hay un problema: antes de que las comunidades opten por instalar uno de estos dispositivos incipientes, necesitan una mayor confianza en que las tecnologías pueden cumplir su promesa, y eso es exactamente lo que ARIES puede ofrecer.

"Una gran parte de nuestra misión es eliminar el riesgo de las tecnologías energéticas, para que las comunidades se sientan cómodas implementándolas", dijo Davis.

En el NREL, los investigadores están estudiando tecnologías de energía marina "para asegurarse de que las cosas no fallen en el campo", dijo Kumaraguru Prabakar, ingeniero investigador del laboratorio."Incluso si un pequeño generador de río alimenta una casa pequeña, también alimenta la red, por lo que hay que asegurarse de que sea seguro".

Y para eso (y análisis más complicados) necesita ARIES.

En este momento, Prabakar está examinando cómo las tecnologías de energía marina se integran en las redes preexistentes.Las corrientes tienden a ser constantes, pero los ríos todavía están sujetos a heladas y sequías.Las olas y las mareas son predecibles, pero no siempre producen la misma cantidad de energía durante el día o el año.

Con ARIES, Prabakar puede evaluar cómo estas variaciones podrían afectar a diferentes sistemas energéticos y si otras soluciones, como la energía almacenada como hidrógeno verde, podrían equilibrar estas fluctuaciones.

El mayor regalo de ARIES podría ser el tiempo.En la última década, los investigadores solían tardar años en validar las nuevas tecnologías energéticas, dijo Prabakar.Pero ahora, con ARIES, los expertos pueden acelerar significativamente ese proceso (ARIES puede incluso combinarse con simuladores similares en otros laboratorios nacionales para obtener aún más datos, capacidades y respuestas).

La velocidad es especialmente crítica para acelerar el desarrollo de tecnologías de energía marina para que puedan ayudar a combatir el cambio climático más temprano que tarde.

"Si a alguien se le ocurre la idea de añadir energía hidráulica, debería poder implementarla en menos de 12 meses", dijo Prabakar.

"Es emocionante", añadió Hovsapian."Se avecinan muchos cambios y ARIES puede ayudarnos a prepararnos".