Cómo la escasez de transformadores amenaza la red

ROANOKE, Va. — Un transformador de red de alto voltaje del tamaño de un vagón de ferrocarril se encuentra en el andén de carga de una fábrica aquí, listo para impulsar la energía a través de las líneas de transmisión como una parte indispensable de la red eléctrica de la nación.

Virginia Transformer Corp. enviará 550 de estos transformadores este año y espera producir 665 el próximo año en su planta aquí y en otras tres instalaciones de América del Norte. Pero es una de las únicas ocho empresas en los Estados Unidos capaces de fabricar los transformadores más grandes del país, y las entregas se han retrasado mucho en medio de la pandemia de Covid-19.

De hecho, Estados Unidos está experimentando una escasez de una variedad de transformadores, que van desde unidades más pequeñas en la parte superior de un poste en las calles de la ciudad hasta las unidades masivas de Virginia Transformer, por razones que varían según el equipo. Eso significa que las empresas de servicios públicos podrían tener dificultades para agregar suficiente generación eólica y solar nueva para cumplir con los objetivos de cero neto del país y mantener las luces encendidas cuando las tormentas dañan sus reservas de transformadores agotados.

El miércoles, los servicios públicos de energía y cooperativas enviaron una carta a la secretaria de Energía, Jennifer Granholm, enfatizando la crisis y solicitando al Departamento de Energía que utilice los fondos de la nueva ley climática para impulsar la producción de transformadores más pequeños en EE. UU. Los pedidos de transformadores de distribución, dijeron, ahora tardan un promedio de un año o más en llegar.

"Si no actuamos hoy, corremos el riesgo de no poder recuperarnos de una tormenta mañana", escribieron los líderes de la Asociación Estadounidense de Energía Pública y la Asociación Nacional de Cooperativas Eléctricas Rurales. "A más largo plazo, podría significar no poder cumplir con los objetivos de electrificación previstos por la administración de Biden. Mientras tanto, la acumulación de transformadores de distribución sigue creciendo".

El DOE no respondió a una solicitud de comentarios el miércoles.

El problema ha estado creciendo durante años, con las agencias federales haciendo sonar la alarma bajo las administraciones de Trump y Biden. Un informe del Departamento de Comercio de 2020 se preocupó por la dependencia de las importaciones de EE. UU., mientras que el informe del DOE de este año enfatizó la necesidad de transformadores para construir una red sin emisiones de carbono.

El informe del DOE concluye que el suministro de nuevos transformadores debe multiplicarse dramáticamente si se quiere que la red de la nación se llene con nueva generación eólica y solar y carga de vehículos eléctricos. DOE y Commerce también advirtieron que el suministro de transformadores es un problema de seguridad nacional, incluso sin la presión adicional de una transición de energía limpia.

La mayoría de los transformadores que ahora están en funcionamiento en los Estados Unidos están cerca o han superado su vida útil diseñada; las tormentas extremas están golpeando con más fuerza la infraestructura de la red, agotando las reservas de transformadores; y la pandemia de Covid-19 interrumpió las líneas de suministro de componentes, duplicando los tiempos de entrega en algunos casos (Energywire, 22 de agosto).

Sincronizados para trabajar juntos en redes multiestado, los grandes transformadores manejan una salida de hasta 765 kilovoltios, o 750 000 voltios, de plantas de energía de combustibles fósiles y parques solares y eólicos. Al final de la línea, los transformadores reducen la potencia de salida hasta que alcanza el estándar de 240 voltios para una entrega segura a los hogares.

Las empresas de servicios públicos de América del Norte compraron 1300 transformadores en 2020, según un análisis de Global Market Insights citado en el informe del DOE. La demanda estimada en 2027 será más del doble de esa cantidad.

Se espera que la demanda de los grandes transformadores de potencia de $ 4 millones aumente de 700 en 2019 a 900 en 2027, informó el DOE.

Hace casi dos siglos, el científico británico Michael Faraday demostró la capacidad única de un transformador al enrollar bucles de cables aislados alrededor de una barra de hierro y luego enrollar un segundo cable aislado encima del primero.

Esa técnica básica sigue siendo el principio operativo de los transformadores en la actualidad.

Una corriente alterna (CA) enviada a través del primer cable inicia una corriente en el segundo cable, gracias a la fuerza del electromagnetismo. El voltaje en el segundo cable aumenta si se envuelve más veces alrededor de la barra de hierro que el primer cable. Duplicar la envoltura duplica el voltaje.

El industrial de Pittsburgh William Stanley lo llamó una "solución simple y completa para un problema difícil" y lo usó para construir el primer transformador comercial medio siglo después del descubrimiento de Faraday.

Sin embargo, la solución simple requiere una precisión exigente por parte de artesanos hábiles y minuciosos, como quedó claro en un recorrido reciente por la planta de Virginia Transformer.

Al igual que otras plantas de transformadores, la fábrica de Roanoke cuenta con equipos costosos y avanzados, que incluyen máquinas de corte dirigidas por computadora para producir núcleos de transformadores de acero laminado.

Pero la producción todavía depende de las personas, 136 años después de que se construyeran los transformadores de Stanley en una era de caballos y calesas. Los ensambladores deben ser meticulosos al enrollar y asegurar las largas bobinas de alambre de cobre aislado que hacen el trabajo del transformador.

"Es mucho trabajo manual, pero su delicadeza es casi una forma de arte", dijo Ed Castile, subsecretario de Comercio de Alabama para programas de fuerza laboral. Su departamento apoya de cerca la planta de Hyundai Power Transformers en Montgomery, Ala.

En un día reciente en la planta de Roanoke, los ensambladores estaban colocando espaciadores a mano entre los cables y atando secciones de cableado con cuidado con una cuerda de nailon, como pescadores que sujetan un señuelo.

"El diseño es muy especializado", dijo David Roop, profesor adjunto de Virginia Tech que adquirió transformadores para Dominion Virginia Power en un trabajo anterior.

El cableado de un transformador debe ser lo suficientemente seguro para permanecer en su lugar cuando se interrumpe, dijo Roop. Cuando un árbol golpea una línea eléctrica, por ejemplo, la interrupción del flujo de energía crea fuerzas magnéticas extremas en los devanados. Si cambian de posición, eso podría interferir con los flujos de aceite de enfriamiento que evitan el sobrecalentamiento destructivo.

Por lo tanto, el cableado requiere un diseño de ingeniería experto y ensambladores que puedan construir con esas especificaciones exactas. El resultado, dijo Roop, "realmente es artesanía".

Para alcanzar el objetivo de la administración Biden de una red sin emisiones de carbono para 2035, la capacidad de generación de EE. UU. tendría que triplicarse en comparación con su nivel de 2020, según un informe reciente del Laboratorio Nacional de Energía Renovable. La capacidad de la línea eléctrica a nivel nacional tendría que duplicarse o triplicarse.

Ese despliegue tendría que ir acompañado de más transformadores, lo que a su vez requeriría triplicar la fuerza laboral actual del sector de alrededor de 15.000.

Pero los fabricantes estadounidenses dicen que es un gran desafío. Las empresas expusieron el problema en sus respuestas a una encuesta del Departamento de Comercio citada en el informe de 2020: las escuelas secundarias no capacitan a los estudiantes en las pruebas necesarias de soldadura, devanado de bobinas y transformadores, y pocas universidades ofrecen programas para ingenieros en electrónica de potencia, diseño eléctrico y aseguramiento de la calidad.

Virginia, Alabama y otros estados están tratando de reducir la brecha con programas de capacitación respaldados por el estado, mientras que los sindicatos manufactureros ofrecen pasantías. El Departamento de Comercio de Castilla en Alabama se ha asociado con un desarrollador de software de realidad virtual que permite a los solicitantes de empleo simular el trabajo en transformadores.

Pero dotar de personal a las instalaciones de fabricación en todo el sector energético es un desafío.

El próximo mes, Virginia Transformer abrirá una nueva línea de producción en Troutville, una docena de millas al norte de Roanoke, donde fabricará estaciones de carga de alta capacidad para vehículos eléctricos. El gerente de operaciones, Barry Link, describió su lucha este verano para reclutar empleados para la nueva empresa.

Link y su equipo colocaron letreros en los jardines de Troutville y en los tablones de anuncios de las tiendas Family Dollar, gasolineras y tiendas de conveniencia, promocionando la oportunidad de alcanzar un salario anual de $60,000 dentro de tres años. La empresa prometió recoger a nuevos trabajadores en varios lugares de reunión del condado todos los días en camionetas equipadas con refrigerios.

Trajo a bordo a 20 nuevos empleados, de entre 18 y 71 años, suficientes para abrir un primer turno el próximo mes, dijo.

Para la fabricación de transformadores, algunos piden al gobierno que aumente los salarios para garantizar suficiente contratación. En su carta del miércoles a Granholm, los presidentes de la Asociación Estadounidense de Energía Pública y la Asociación Nacional de Cooperativas Eléctricas Rurales instaron al DOE a establecer un programa de subsidio salarial de $220 millones. Eso "ayudaría a los fabricantes a atraer y retener a más trabajadores, lo que les permitiría pasar a operaciones 24/7", escribieron la presidenta de APPA, Joy Ditto, y el presidente de NRECA, Jim Matheson.

También pidieron al DOE que utilice los fondos de la Ley de Reducción de la Inflación para apoyar la capacitación de una mayor fuerza laboral de transformadores.

En este momento, Castile dijo que la mejor capacitación para los nuevos empleados aún proviene de quienes hacen el trabajo ahora. En la planta de Roanoke, el supervisor de calidad Reza Esmaeili estuvo de acuerdo. Los nuevos empleados reciben una introducción de tres meses en el montaje, dijo, "y después de eso, sigue siendo aprender, aprender, aprender".

Incluso con los desafíos de la fuerza laboral, Virginia Transformer ha aumentado su producción en las fábricas que posee en Pocatello, Idaho; Rincón, Georgia; y Chihuahua, México. Hitachi Energy también anunció este mes que gastaría $37 millones para expandir su planta de transformadores en South Boston, Virginia, para satisfacer las demandas de los sitios de energía renovable, computación en la nube, minería de bitcoin y operaciones de centros de datos.

Pero el informe de Comercio de 2020 encontró que los fabricantes de transformadores de EE. UU. en ese momento no podían competir con los fabricantes globales en precio, en parte debido a los altos costos laborales.

"El costo es el problema", dijo Prabhat Jain, propietario, director ejecutivo y director de tecnología de Virginia Transformer. “Tenemos que poder competir con el resto del mundo” en materiales y mano de obra.

Virginia Transformer y otros fabricantes con sede en EE. UU. suministran menos del 20 por ciento de la demanda anual de transformadores, según el informe del DOE de este año. En los últimos años, China, India, Taiwán y Corea del Sur han fabricado transformadores mucho más baratos. Canadá, México y Europa también tienen una ventaja de costos, según el informe de Comercio de 2020.

Los dos grupos comerciales instaron al DOE a utilizar los fondos de la Ley de Reducción de la Inflación para respaldar el reclutamiento y la capacitación de una fuerza laboral de transformadores más grande.

"Necesitamos el apoyo del gobierno para que no nos quiten la alfombra debajo de nosotros", dijo Jain. "Ese va a ser el desafío".