La orquesta del Titanic y el gran apagón

En un mundo paralelo al nuestro, el Titanic no puede hundirse por muchos icebergs que se encuentre en su camino. Los ingenieros de ese mundo alternativo han diseñado sistemas de seguridad capaces de detectar y esquivar, o destruir, cualquier obstáculo que se cruce en el camino del trasatlántico. Nada puede detenerlo ni alterar su curso. Con una sola condición. Que la orquesta no deje nunca de tocar. Y que no desafine.

El 28 de abril, un poco pasado el mediodía, la península ibérica sufrió un apagón “histórico”, uno más de los eventos “históricos” que parecen ser la norma en estos extraños tiempos que nos ha tocado vivir. El país reaccionó con su flema habitual. No faltaron los memes, ni quién aprovechó para irse de cañas. No pocos lo pasaron mal, en particular los viajeros atrapados en el metro o atascados en medio de ninguna parte en las líneas de alta velocidad. Muchos servicios funcionaron ejemplarmente, desde hospitales a aeropuertos. El chino de mi esquina vendió todas sus cerillas y todas sus linternas. Poco caos y mucho civismo, como suele ser la norma, en este país de gente “muy obediente, hasta en la cama”, como cantaba el grupo Jarcha hace medio siglo.

El 29 de abril, asistimos al circo político y mediático, como también era de esperar. Curiosamente, las teorías de la conspiración, al menos en las primeras horas, no han proliferado. En general, los medios oficiales han dado pocas explicaciones y como era de esperar, el gobierno y su presidente se han enrocado en el sostenella y no enmendalla que también es un clásico nacional. Entre los sostenella, está la negativa a considerar que un sistema eléctrico con exceso de penetración de renovables es frágil y mucho más si las interconexiones a otras redes externas son pequeñas (como es el caso de España). Entre las no enmendallas, la negativa a considerar la posibilidad de extender la vida útil del parque nuclear, por no decir (¡anatema!) ampliarlo.

Para entender lo que pasó el 28-A podemos empezar por preguntarnos cómo funciona la red eléctrica. Lo primero, hay que considerar que estamos hablando de corriente alterna (AC). Los electrones que se mueven a lo largo de los cables de tensión, van y vienen con una frecuencia de 50 Hz (es decir, el sentido de la corriente se invierte 50 veces por segundo). La analogía más obvia es un oscilador forzado, es decir un sistema que oscila debido a una fuerza externa periódica.

Todos sabemos lo que es un oscilador. ¿Quién no ha visto, aunque sea en películas, el péndulo de un reloj de pared? El concepto “forzado” suena algo más extraño, pero es inmediato de entender en cuanto lo pensamos. Si el péndulo del reloj no estuviera “forzado” por el mecanismo de cuerda, no tardaría en pararse por culpa de la fricción mecánica (en otro caso habríamos inventado el perpetuum mobile hace siglos y la energía sería gratis). El mecanismo de cuerda, por otra parte, obliga al péndulo a oscilar a frecuencia constante, típicamente 1 Hz, o sea, una vez por segundo.

En una red eléctrica de corriente alterna cada generador produce una señal oscilante de voltaje (50 Hz en Europa). Estos generadores están acoplados a través de la red, que los fuerza a mantener una frecuencia común.

Ahora bien, en una red eléctrica, tenemos demanda de energía (cargamos el sistema). Esta demanda actúa como una fuerza externa que perturba la red y que hay que corregir. Cuando hay una gran carga súbita (por ejemplo, una fábrica entre en funcionamiento de repente, dando un exceso de carga, o por el contrario, un problema natural o inducido genera una caída brusca de carga), el sistema puede perder sincronía temporalmente. Si el desacoplamiento se extiende, existe el riesgo de apagones en cascada. El caso extremo, que vivimos el 28-A es que los apagones tumben la red.  Y hay que tener en cuenta que los apagones son raros, lo que implica que el sistema es robusto frente a variaciones bruscas de carga.

¿De qué depende esa robustez? Para visualizarlo, empecemos por imaginar una red a la que sólo contribuyen plantas de potencia convencionales, como centrales de carbón (o, mucho más modernas y menos contaminantes, centrales de gas natural) y nucleares. El funcionamiento de estas plantas térmicas es muy sencillo conceptualmente (y un monumento a la ingeniería moderna). En esencia se trata de calentar agua en una caldera gigantesca y hacer pasar el vapor por las aspas de una monstruosa turbina que a su vez mueve un no menos monstruoso rotor en el interior de un imán. Ese rotor gira a una velocidad constante (los célebres 50 Hz), produciendo corriente alterna como consecuencia de su movimiento en el interior de un campo magnético que crea el imán.

Una unidad Siemens de 1000 MW (como las usadas en centrales nucleares o de carbón), tiene un rotor de 12 m, con una masa de unas doscientas cincuenta toneladas que almacena, cuando gira a velocidad nominal una energía cinética brutal, equivalente a unos 500 kg de dinamita. Esa energía cinética proporciona inercia frente a perturbaciones. Es decir, cuando hay una caída súbita de generación, el rotor cede parte de su energía giratoria y de esta manera es posible mantener la frecuencia, al menos momentáneamente. En plata el rotor de una central térmica actúa como un estabilizador pasivo de la red.

Si nuestra red eléctrica está formada sólo por generadores térmicos, la vida de los ingenieros eléctricos que la mantienen se simplifica en tres sentidos. Primero, es “fácil” de sincronizar, ya que todos los rotores giran a la misma frecuencia. Segundo, tiene mucha inercia, ya que todos los rotores contribuyen a ella, con lo cual puede responder robustamente a cargas súbitas y tercero, no es variable, sabemos siempre exactamente la potencia de la que disponemos.

Un modelo posible para una red de este tipo puede ser combinar centrales nucleares (CN) y centrales de gas natural (CGN). Las CN proporcionan una potencia enorme (típicamente 1000 MW por reactor) y pueden servir para cubrir la “demanda de base” de la red (es decir la energía eléctrica que se consume siempre, incluso cuando el sistema está a mínimos). Los CGN son más pequeñas y “fáciles de manejar” (en esencia son mecheros de gas) y son excelentes para seguir las curvas de demanda de energía (que los ingenieros de la red saben predecir con gran precisión). Otra fuente de energía que puede usarse “a demanda”, “encendiéndola” y “apagándola” cuando sea necesario es la hidroeléctrica.

Por otra parte, las redes modernas, en particular en España, incluyen también un alto porcentaje de renovables, como energía fotovoltaica y eólica. Aquí la situación es diferente. Los paneles solares producen corriente continua (DC), lo que exigen utilizar un inversor DC→AC para convertirla a la frecuencia de la red. En cuanto a las turbinas eólicas, su velocidad variable hace necesario una etapa de conversión doble (primero se rectifica a DC y luego se usa un inversor para pasarla a AC de 50 Hz). El uso de inversores, por otra parte, tiene sus ventajas y sus inconvenientes. Por un lado, aquí no hay un rotor enorme girando, así que no pueden aportar inercia a la red. Por otro lado, son controlables y pueden seguir señales de control, lo que a su vez permite un control muy preciso del flujo de potencia.

En consecuencia, una red eléctrica moderna puede combinar renovables (eólica y fotovoltaica), con hidroeléctrica y térmicas (CN y CGN). Por otra parte, si bien es posible montar una red eléctrica usando sólo generadores convencionales, es mucho más difícil montar una red eléctrica que sólo use renovables. Un problema obvio es la variabilidad (no hay sol de noche y el viento sopla cuando quiere). Otro problema es la asincronía entre disponibilidad y demanda (la red suele exigir mucha carga a horas donde la disponibilidad de renovables no es alta, por ejemplo, las 6-7 am en invierno, cuando todavía es de noche y a menudo no sopla mucho viento). El problema contrario también se da, hay veces que el sol brilla y la brisa marina mueve las aspas de los gigantes que son molinos, pero la red no necesita toda esa energía, que es difícil de almacenar si no se dispone de grandes saltos de agua. Por último, una red que solo tiene renovables, carece de inercia y una carga súbita puede desestabilizarla fácilmente (o no tan fácilmente, los inversores son aparatos inteligentes, capaces, hasta cierto punto, de simular inercia).

Queda un detalle por comentar y es cómo nuestra red eléctrica está conectada a otras redes que pueden, en un apuro, compensar variabilidad o proporcionar inercia. Idealmente, España (o mejor dicho, la península ibérica) debería estar muy conectada con Francia y el resto de Europa. Ventajas: aparte de la posibilidad de intercambios (podríamos cambiar energía renovable por nuclear lo que no deja de ser paradójico, según se mire), la inercia de la red “de reserva” hace más robusta la propia red. Por desgracias no es así. En términos eléctricos también somos una isla.

En España, la potencia renovable supone el 64 % del total, con un 25 % de eólica, otro tanto de fotovoltaica y el resto hidráulica, biogás, biomasa, etc. En total hay 85,100 MW de potencia renovable, de los cuales solo se puede almacenar una fracción bastante pequeña, 3,356 MW.  En términos de generación de energía, las renovables proporcionan un 60 %, las nucleares 20 % y los ciclos de gas combinado otro 20 %. Por comparación, Francia genera el 64 % de su energía a partir de sus centrales nucleares.

La consecuencia obvia es que el sistema francés tiene más inercia que el español y además se beneficia de conexiones robustas con otros países europeos. Por supuesto, eso no quiere decir que la red española no sea robusta. Es obvio que no tenemos apagones todos los días. Pero la menor inercia del sistema y la escasa conexión exterior la hace susceptible a sufrir una caída como la que experimentamos el 28-A.

¿Qué lecciones pueden aprenderse aquí? Una muy obvia sería no tener demasiada prisa en apagar las CN y valorar la conveniencia de “equilibrar” el sistema (lo que se podría hacer construyendo algunas CN más). El argumento a favor de las CN es que no producen CO2. Los argumentos en contra son debatibles y hace unos años escribí un libro al respecto (El ecologista nuclear), casi a la vez que mi amigo Manuel Lozano Leyva escribía otro texto en la misma línea (Nucleares, ¿por qué no?). El intento nos convenció de que en España, el debate sobre la energía nuclear es de naturaleza ideológica, no técnica. Esa ideología parece seguir gozando de excelente salud, a juzgar por las recientes declaraciones del presidente del gobierno.

¿Qué “evento” produjo la sobrecarga que tumbó la red? No creo que se sepa todavía y supongo que nos enteraremos a su debido tiempo. Muy probablemente, habría sido evitable si la red hubiera contado con mayor inercia.

Podemos imaginar la red eléctrica como una orquesta en la que los Instrumentos de cuerda (violines, violas) representan los generadores síncronos tradicionales (CN y CGN, por ejemplo), mientras que los pianos y la percusión representan los generadores basados en inversores (solar, eólica). En una orquesta, los violines tienen una sonoridad flexible.

Son muchos tocando a la vez, y si uno se atrasa o adelanta un poco, el grupo corrige de manera natural. Así funcionan los generadores síncronos: su masa giratoria les da inercia y su acoplamiento eléctrico los mantiene en sincronía colectiva. En cambio, el piano y la percusión son distintos: cada golpe es instantáneo y preciso y carecen de flexibilidad natural: si el pianista se atrasa o adelanta, el efecto es inmediato y desastroso. Así funcionan las plantas renovables con inversores: no tienen inercia mecánica y deben seguir activamente el ritmo de la red con control digital.

¿Qué pasa si la orquesta del Titanic tiene muchos pianos y pocos violines? En ese caso, los instrumentos de cuerda ya no pueden amortiguar las pequeñas diferencias tan fácilmente, los pianos requieren sincronización perfecta externa (el director de orquesta tiene que estar muy atento), los pequeños errores se amplifican en lugar de suavizarse y el conjunto se vuelve frágil: la sincronía se puede romper fácilmente y cuando eso ocurre, la orquesta deja de tocar y el barco se hunde.