El misterio de las caídas de tensión sincronizadas en las redes eléctricas del mundo

Durante años, las redes eléctricas de distintos países registraron una anomalía que desconcertó a los operadores: cada 60 segundos, la frecuencia caía una fracción imperceptible. Lo llamativo era la sincronía: el fenómeno ocurría al mismo tiempo en redes de Europa, Estados Unidos, Australia y Malasia. Un equipo de investigadores alemanes encontró la causa y publicó los resultados en un estudio científico.

El encargado de resolver el enigma fue Dirk Witthaut, investigador del Forschungszentrum Jülich, en Alemania. El mayor operador de transmisión del país, Tennet Germany, le llevó el problema y el trabajo de investigación y modelado demandó años. La respuesta estaba en un dispositivo cotidiano: las baterías de respaldo conectadas a internet.

El funcionamiento ordenado de una red eléctrica depende de que la frecuencia se mantenga dentro de un rango. Si las oscilaciones crecen demasiado, o si los operadores no conocen la causa y responden mal, pueden producirse apagones. Aun sin cortes, las caídas sostenidas pueden dañar equipos de las centrales, en especial las turbinas hidroeléctricas.

Las plantas hidroeléctricas fueron históricamente la principal fuente de las llamadas oscilaciones de frecuencia ultra baja. Cada turbina vibra y, si esas vibraciones se repiten con cierta regularidad, pueden amplificarse hasta niveles peligrosos. Es el mismo principio de resonancia que hace estallar una copa de vidrio frente a la voz de un cantante de ópera.

Witthaut y su equipo probaron primero esa hipótesis con un modelo computacional del sistema de control de una central hidroeléctrica sobre la red escandinava. Encontraron condiciones que podían generar una resonancia con un pico por minuto, pero no lograban explicar por qué se sostenía tanto tiempo. Las resonancias mecánicas suelen aparecer y desaparecer, y la señal en la red acompañaba ese patrón. Esta caída, en cambio, se repetía minuto tras minuto, sin fallar.

La regularidad llevó a los investigadores a una conclusión: algo que funciona con esa precisión necesita un reloj. Para comprobarlo, instalaron más de 80 medidores inteligentes de calidad de energía en el campus de Jülich. El predio cuenta con líneas de distribución de media y baja tensión, transformadores, paneles solares y sistemas de almacenamiento en baterías que funcionan como suministro ininterrumpido (UPS). Los medidores registraban frecuencia, tensión, corriente y potencia cada tres segundos.

La respuesta no tardó en aparecer. Las mediciones tomadas en el transformador conectado al sistema de baterías mostraban un pico cada minuto, igual que en las redes más grandes. Muchas baterías estacionarias, desde los UPS de los centros de datos hasta los grandes acumuladores de escala de red, verifican su estado de carga cada 60 segundos. Como están conectadas a internet, sus relojes funcionan en sincronía casi perfecta. Cada verificación individual es imperceptible, pero cuando miles de dispositivos la hacen al mismo tiempo, la perturbación se vuelve visible.

Para confirmar que los UPS eran el principal responsable, el equipo recurrió a datos de operadores de red y encontró la evidencia en Irlanda. Allí los centros de datos crecieron hasta consumir una parte importante de la electricidad del país: en 2022 representaban el 18% de la carga de la red irlandesa, y cada instalación opera con una flota de UPS. Entre 2016 y 2021, la caída de frecuencia minuto a minuto se cuadruplicó, de 3 milihercios (mHz) a 12 mHz. En los últimos tiempos, algunas caídas superaron los 20 mHz.

La red irlandesa de 50 hercios está diseñada para tolerar variaciones de más o menos 200 mHz, aunque el operador prefiere limitarlas a 100 mHz. En ese rango, 20 mHz no parece mucho, pero los centros de datos no son la única carga del sistema. Si otras cargas también hacen caer la frecuencia, el aporte extra de cada UPS que verifica su carga podría acercar la red a condiciones de apagón.

El problema es prevenible. En lugar de consultar el estado de carga exactamente en el minuto justo, los investigadores recomiendan que los fabricantes de UPS y de baterías de escala de red agreguen cierta aleatoriedad al calendario de verificación. La solución es un parche de software simple.

Sin embargo, el fenómeno podría persistir. Los investigadores también probaron dispositivos de internet de las cosas (IoT) y detectaron fluctuaciones periódicas de energía en equipos tan diversos como un horno inteligente y clústeres de Raspberry Pi. La corrección también requiere una actualización de software, pero muchos dispositivos IoT nunca se actualizan: un estudio reciente halló que menos del 3% ejecuta el firmware más reciente.

Los reguladores podrían verse obligados a intervenir para exigir cambios, aunque solo pueden actuar sobre su porción de la red. Dado el carácter global del asunto, la solución final requerirá coordinación internacional. El misterio quedó resuelto, pero el problema podría mantenerse durante años.