Impacto del clima espacial en el sistema eléctrico nacional de México

El estudio del Clima Espacial ha ganado relevancia a medida que nuestra civilización global depende cada vez más de la de la interconexión de diversos sistemas tecnológicos. Esta integración creciente ha demostrado ser sensible a los eventos de la actividad solar severa. Uno de los efectos más relevantes del clima espacial en la superficie terrestre son a las Corrientes Inducidas Geomagnéticamente (CIG). Este fenómeno surge como resultado de procesos de inducción electromagnética creados por variaciones del campo geomagnético en sistemas de conductores. Estas variaciones del campo geomagnético son producidas principalmente como consecuencia de eventos de actividad solar que alteran el entorno espacial de la Tierra. Tradicionalmente el fenómeno de las CIG se consideraba propio de las regiones por encima de lo 50 o de latitud, donde el electrochorro auroral contribuye significativamente a las perturbaciones geomagnéticas. Sin embargo, en las últimas décadas hemos experimentado un cambio de paradigma en este sentido. Desde principio de los años 2000 se han reportado con frecuencia creciente fallas causadas por CIG en sistemas tecnológicos ubicados en latitudes por debajo de los 30o de latitud. Actualmente los efectos del clima espacial son un asunto de investigación activa en muchos paı́ses.
En 2014 se modificó la Ley General de Protección Civil de México para incluir los eventos de clima espacial en la lista de fenómenos perturbadores que debe atender el Sistema Nacional de Protección Civil y se estableció el Servicio de Clima Espacial México (SCIESMEX), en el Instituto de Geofísica de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). En 2015 el SCIESMEX junto con el Centro Nacional de Prevención de Desastres (CENAPRED) y la Agencia Espacial Mexicana (AEM), establecieron el grupo de trabajo Clima Espacial en México para atender el mandato de la ley en cuestiones de monitoreo de eventos de clima espacial y desarrollar políticas públicas para incrementar la resiliencia del país ante estos fenómenos naturales. Posteriormente, en 2016 se creó el Laboratorio Nacional de Clima Espacial (LANCE), con el objetivo de incrementar la capacidad de observación y análisis de eventos de clima espacial en México.
En 2018, el LANCE y la Comisión Federal de Electricidad (CFE), iniciaron una colaboración para estudiar la vulnerabilidad del Sistema Eléctrico Nacional (SEN) ante eventos de Clima Espacial. Dentro de este marco de colaboración, se planteó desarrollar un modelo numérico para conocer la respuesta del SEN, ante la ocurrencia de tormentas geomagnéticas en la red de 400/230 kV y la instalación de detectores de CIG en algunas subestaciones criticas de la red de CFE. Este tipo de colaboraciones son muy raras en el mundo, ya que en general las compañías eléctricas se resisten a compartir sus datos con los grupos de investigación.
El presente trabajo de tesis tiene como objetivo el estudio de la influencia del clima espacial sobre la red eléctrica de alta tensión de México. Su objetivo es atender dos cuestiones muy importantes: (a) Evaluar cuán relevante es el efecto de las CIG en el SEN y (b) Determinar cuáles son los puntos más vulnerables de la red y cuán intensas pueden ser estas corrientes durante las afectaciones de un evento de clima espacial severo en México.
El modelo numérico desarrollado en este trabajo proporciona, por primera vez, estimaciones realistas de los niveles de CIG en los nodos de la red de 400/230 kV. El análisis de los datos experimentales y las estimaciones del modelo numérico permiten concluir que la red de transmisión de alta tensión de México, se ve afectada incluso durante perturbaciones geomagnéticas menores ocasionadas por actividad solar.
Tomando en consideración estos resultados y el cúmulo creciente de incidentes de fallos en sistemas eléctricos provocados por la actividad solar en los últimos 20 años Gaunt and Coetzee
(2007); Kappenman (2005). Es necesario un monitoreo constante del clima espacial en SEN de México, así como el diseño de protocolos de prevención y de reacción dirigidos a la mitigación de estos efectos. En virtud de lo expresado anteriormente, podemos afirmar que el Clima Espacial debe considerarse como una cuestión de seguridad nacional en virtud de las pérdidas socioeconómicas que puede ocasionar un fallo catastrófico en el SEN.

El clima espacial ha tomado gran relevancia en nuestra civilización actual. Fenómenos como las CIG, previamente considerados como exclusivos de latitudes aurorales, han comenzado a afectar significativamente sistemas tecnológicos a latitudes medias y bajas. Nuestra dependencia creciente en la electrónica y los sistemas satelitales incrementan nuestra vulnerabilidad ante este tipo de amenazas. En México, desde el 2014 se ha incorporado este tipo de fenómenos perturbadores a la ley General de Protección Civil (Congreso de México, 2014). Esto constituye una acción sin precedentes para Latinoamérica y posiciona al país a la cabeza de la investigación en clima espacial y sus consecuencias en el ambiente terrestre. Con la creación del Laboratorio Nacional de Clima Espacial (LANCE) y del Servicio Nacional de Clima Espacial Mexicano (SCIESMEX), se han dado pasos importantes para iniciar una gestión integral de riesgos ante este tipo de amenazas. En 2018, a raíz de la colaboración establecida entre el LANCE y la Gerencia de Ingeniería Especializada de CFE, hemos comenzado un proyecto de estudio y evaluación del impacto de las corrientes inducidas geomagnéticamente CIG, en las redes de 400/230 kV del sistema eléctrico nacional de México. Este proyecto consta de dos partes: a) el desarrollo de un modelo numérico para el cálculo de CIG en la red de alta tensión, b) la instalación de medidores de CIG en los neutros de los bancos de transformadores de algunas subestaciones criticas.
En 2019 realizamos una primera evaluación de la respuesta del sistema de 400 kV ante la ocurrencia de tormentas geomagnéticas severas y extremas. Esto nos permitió identificar los sitios más vulnerables del SEN. Dicha información se usó para planificar la futura instalación de los sensores de CIG. El primer modelo numérico abarcaba únicamente 115 subestaciones de la red de 400 kV y asumía una conductividad eléctrica uniforme para todo el suelo del territorio mexicano. De igual modo se asumía una perturbación geomagnética uniforme a lo largo del territorio. A pesar de todas estas simplificaciones, el modelo nos permitió tener una primera aproximación a la respuesta del SEN ante un evento severo de clima espacial. Estos resultados se condensaron en un artículo publicado a finales de 2019 en Space Weather Jounal.
Actualmente, se han logrado instalar tres sensores de CIG en el territorio mexicano, desafortunadamente los problemas subsecuentes de la pandemia del COVID-19 de 2020 retrasaron la solución de problemas técnicos en la instalación de los sensores. A pesar de esto, a mediados de 2020 obtuvimos datos de CIG del sensor de la subestación Querétaro potencia y a fines de 2020 de la subestación Laguna Verde. Adicionalmente obtuvimos información más precisa acerca de la arquitectura de la red eléctrica de la CFE. Todos estos datos permitieron mejorar el modelo numérico para el cálculo de CIG en el SEN de México, el cual se presenta en el capítulo 4.
En esta ocasión pudimos contrastar los datos medidos en la subestación Laguna Verde con los resultados de una nueva versión del modelo. El nuevo modelo considera los múltiples niveles de voltaje de la red, las variaciones de conductividad lateral del suelo y el tipo de transformador. Desarrollamos un modelo de la conductividad del suelo compuesto por un mosaico de 15 bloques estratificados de conductividad 1D. Para obtener este mapa de mosaico de la conductividad eléctrica en el territorio nacional se utilizaron los datos de MT disponibles para el territorio mexicano y sus alrededores. El nuevo modelo numérico abarca el 98 % de la red de 400 kV, el 45 % de la red de 230 kV y algunos ramales a 115 kV en Baja California Sur. El estudio cubre cinco tormentas geomagnéticas que ocurrieron entre Agosto y Noviembre de 2021.
Conseguimos mejorar la precisión de las interpolaciones de campo magnético a lo largo del territorio nacional. Actualmente, el LANCE cuenta con una estación magnética, capaz de sustituir el
rol del observatorio de Teoloyucan el cual ha dejado de proporcionar mediciones de campo geomagnético en México. Aún así, todavía es necesario depender de datos de campo geomagnético
de estaciones localizadas en el sur de EUA para aproximar la perturbación geomagnética en todo punto del territorio mexicano.
Todas las mejoras introducidas en el modelo numérico permitieron un mayor ajuste entre los datos calculados y medidos en la subestación de Laguna Verde. Las conclusiones de este segundo trabajo permiten afirmar que contamos con un algoritmo que produce estimaciones realistas del impacto de las CIG en las subestaciones más criticas de la red eléctrica mexicana de 400/230 kV. Estos resultados forman parte de una nueva publicación que se ha sometido a la revista arbitrada Space Weather Journal, de la American Geophysical Society y que se encuentra en fase de revisión.
Finalmente, como se trató en el capítulo 5, las pérdidas socio económicas relacionadas con el clima espacial pueden a llegar a ser billonarias, con tiempos de recuperación variables que van desde días a años. Dichos periodos de recuperación están en función de la resiliencia de los distintos sistemas, la severidad del evento y de la capacidad de previsión. En Latinoamérica está creciendo el interés por el clima espacial. Esto permitirá concienciar a un número creciente de actores de la sociedad y tomadores de decisiones, sobre el valor de los estudios de riesgo en la materia. En este sentido, el clima espacial es un asunto de seguridad nacional por el enorme impacto que pueden tener las afectaciones de la actividad solar extrema en nuestra sociedad actual.

Trabajo a Futuro

Este proyecto es el primer paso para un estudio mas prolongado. Entre los objetivos a mediano y largo plazo podemos enumerar: a) acabar la instalación y configuración de los cinco sensores de CIG en los sitios predefinidos de la subestaciones criticas de 400 kV de la CFE, b) realizar la validación final del modelo numérico con los datos observacionales de todos los sensores. Finalmente, evaluar el riesgo de CIG en cada nodo de la red eléctrica nacional y establecer las bases para el diseño de políticas de mitigación de eventos extremos de clima espacial en la red del sistema eléctrico nacional.
El modelo desarrollado en este trabajo puede servir como base para establecer un sistema de monitoreo y estimación de afectaciones de CIG en el SEN. Este sistema de monitoreo sería muy importante para la CFE y la sociedad en general.