Energía renovable variable
Clase de fuentes de energía renovables
La central solar Andasol de 150 MW es una planta termosolar de colectores cilindroparabólicos de uso comercial situada en España . La planta Andasol utiliza tanques de sales fundidas para almacenar la energía solar, de modo que pueda seguir generando electricidad incluso después de la puesta del sol. [1]
Las redes con alta penetración de fuentes de energía renovable generalmente necesitan una generación más flexible que la generación de carga base [2]

La energía renovable variable ( ERV ) o fuentes de energía renovable intermitente ( ERI ) son fuentes de energía renovable que no se pueden gestionar debido a su naturaleza fluctuante, como la energía eólica y la energía solar , a diferencia de las fuentes de energía renovable controlables, como la hidroelectricidad represada o la bioenergía , o fuentes relativamente constantes, como la energía geotérmica .

El uso de pequeñas cantidades de energía intermitente tiene poco efecto en las operaciones de la red . El uso de mayores cantidades de energía intermitente puede requerir mejoras o incluso un rediseño de la infraestructura de la red. [3] [4]

Las opciones para absorber grandes cantidades de energía variable en la red incluyen el uso de sistemas de almacenamiento , una mejor interconexión entre distintas fuentes variables para equilibrar el suministro, el uso de fuentes de energía despachables como la hidroelectricidad y la existencia de un exceso de capacidad, de modo que se produzca suficiente energía incluso cuando el clima sea menos favorable. También puede resultar útil contar con más conexiones entre el sector energético y los sectores de la construcción, el transporte y la industria. [5] : 55 

Antecedentes y terminología

La penetración de las energías renovables intermitentes en la mayoría de las redes eléctricas es baja: la generación eléctrica mundial en 2021 fue de 7% eólica y 4% solar. [6] Sin embargo, en 2021 Dinamarca, Luxemburgo y Uruguay generaron más del 40% de su electricidad a partir de energía eólica y solar. [6] Las características de las energías renovables variables incluyen su imprevisibilidad, variabilidad y bajos costos operativos. [7] Estas, junto con el hecho de que las energías renovables suelen ser generadores asincrónicos , suponen un desafío para los operadores de la red , que deben asegurarse de que la oferta y la demanda coincidan. Las soluciones incluyen el almacenamiento de energía , la respuesta a la demanda , la disponibilidad de exceso de capacidad y el acoplamiento sectorial . [8] Las redes aisladas más pequeñas pueden ser menos tolerantes a altos niveles de penetración. [3] [9]

La adecuación de la demanda de energía a la oferta no es un problema exclusivo de las fuentes de energía intermitentes. Las redes eléctricas existentes ya contienen elementos de incertidumbre, como cambios repentinos y grandes en la demanda y fallas imprevistas en las centrales eléctricas. Aunque las redes eléctricas ya están diseñadas para tener cierta capacidad por encima de la demanda máxima proyectada para hacer frente a estos problemas, es posible que se requieran mejoras significativas para dar cabida a grandes cantidades de energía intermitente. [10]

Existen varios términos clave que resultan útiles para comprender el problema de las fuentes de energía intermitentes. Estos términos no están estandarizados y pueden utilizarse variaciones. La mayoría de estos términos también se aplican a las centrales eléctricas tradicionales.

  • La intermitencia o variabilidad es el grado en que fluctúa una fuente de energía. Tiene dos aspectos: una variabilidad predecible, como el ciclo día-noche, y una parte impredecible (previsión meteorológica local imperfecta). [11] El término intermitente puede utilizarse para referirse a la parte impredecible, y variable , en ese caso, a la parte predecible. [12]
  • La capacidad de despacho es la capacidad de una fuente de energía determinada de aumentar la producción según la demanda. El concepto es distinto del de intermitencia; la capacidad de despacho es una de las diversas formas en que los operadores del sistema ajustan la oferta (producción del generador) a la demanda del sistema (cargas técnicas). [13]
  • La penetración es la cantidad de electricidad generada a partir de una fuente particular como porcentaje del consumo anual. [14]
  • La potencia nominal o capacidad nominal es la potencia teórica registrada ante las autoridades para clasificar la unidad. En el caso de fuentes de energía intermitentes , como la eólica y la solar, la potencia nominal es la potencia de salida de la fuente en condiciones ideales, como el máximo viento utilizable o el sol intenso en un día despejado de verano.
  • El factor de capacidad , factor de capacidad promedio o factor de carga es la relación entre la generación eléctrica real durante un período de tiempo determinado, generalmente un año, y la generación real en ese período de tiempo. Básicamente, es la relación entre la cantidad de electricidad producida por una planta y la cantidad de electricidad que habría producido una planta si hubiera estado funcionando a su capacidad nominal durante todo el período de tiempo.
  • La capacidad firme o potencia firme es "garantizada por el proveedor como disponible en todo momento durante un período cubierto por un compromiso". [15]
  • Crédito de capacidad : la cantidad de energía de generación convencional (despachable) que puede potencialmente eliminarse del sistema manteniendo la confiabilidad, generalmente expresada como un porcentaje de la energía nominal. [16] [ ejemplo necesario ] [ aclaración necesaria ]
  • La previsibilidad o predictibilidad es la precisión con la que el operador puede anticipar la generación: [17] por ejemplo, la energía de las mareas varía con las mareas pero es completamente previsible porque la órbita de la luna se puede predecir con exactitud, y las previsiones meteorológicas mejoradas pueden hacer que la energía eólica sea más predecible. [18]

Fuentes

La energía hidroeléctrica represada, la biomasa y la energía geotérmica son despachables ya que cada una tiene una reserva de energía potencial; la energía eólica y solar sin almacenamiento se pueden reducir (reducir), pero no son despachables.

Energía eólica

Predicción del día siguiente y potencia eólica real

Los operadores de la red utilizan las previsiones para el día siguiente para determinar cuáles de las fuentes de energía disponibles utilizarán al día siguiente, y las previsiones meteorológicas se utilizan para predecir la producción probable de energía eólica y solar. Aunque las previsiones de energía eólica se han utilizado en las operaciones durante décadas, a partir de 2019 [actualizar]la AIE está organizando una colaboración internacional para mejorar aún más su precisión. [19]

Producción mensual del parque eólico Erie Shores durante un período de dos años
Un parque eólico en Muppandal , Tamil Nadu , India

La energía eólica es un recurso variable y la cantidad de electricidad producida en un momento dado por una planta determinada dependerá de la velocidad del viento, la densidad del aire y las características de las turbinas, entre otros factores. Si la velocidad del viento es demasiado baja, las turbinas eólicas no podrán generar electricidad y, si es demasiado alta, habrá que apagarlas para evitar daños. Si bien la producción de una sola turbina puede variar mucho y rápidamente a medida que varían las velocidades del viento locales, a medida que se conectan más turbinas en áreas cada vez más grandes, la producción de energía promedio se vuelve menos variable. [10]

  • Intermitencia: Las regiones más pequeñas que la escala sinóptica , de menos de unos 1000 km de longitud, el tamaño de un país promedio, tienen en su mayoría el mismo clima y, por lo tanto, la misma potencia eólica, a menos que las condiciones locales favorezcan vientos especiales. Algunos estudios muestran que los parques eólicos distribuidos en un área geográficamente diversa en su conjunto rara vez dejarán de producir energía por completo. [20] [21] Este rara vez es el caso de áreas más pequeñas con una geografía uniforme como Irlanda, [22] [23] [24] Escocia [25] y Dinamarca, que tienen varios días al año con poca energía eólica. [26]
  • Factor de capacidad: La energía eólica normalmente tiene un factor de capacidad anual del 25 al 50%, y la energía eólica marina supera a la eólica terrestre. [27]
  • Despachabilidad: Debido a que la energía eólica no es por sí misma despachable, a veces se construyen parques eólicos con almacenamiento. [28] [29]
  • Crédito por capacidad: En niveles bajos de penetración, el crédito por capacidad de la energía eólica es aproximadamente igual al factor de capacidad. A medida que aumenta la concentración de energía eólica en la red, el porcentaje de crédito por capacidad disminuye. [30] [31]
  • Variabilidad: Depende del sitio. [32] Las brisas marinas son mucho más constantes que las brisas terrestres. [10] La variabilidad estacional puede reducir la producción en un 50%. [33]
  • Fiabilidad : Un parque eólico tiene una alta fiabilidad técnica cuando sopla el viento. Es decir, la producción en un momento dado solo variará gradualmente debido a la caída de la velocidad del viento o a las tormentas, siendo necesario apagarlas en este último caso. Es poco probable que un parque eólico típico tenga que apagarse en menos de media hora en el extremo, mientras que una central eléctrica de tamaño equivalente puede fallar de forma totalmente instantánea y sin previo aviso. El apagado total de las turbinas eólicas es predecible mediante la previsión meteorológica. La disponibilidad media de una turbina eólica es del 98%, y cuando una turbina falla o se apaga por mantenimiento solo afecta a un pequeño porcentaje de la producción de un gran parque eólico. [34]
  • Previsibilidad: Aunque el viento es variable, también es predecible en el corto plazo. Hay un 80% de probabilidades de que la producción eólica varíe menos del 10% en una hora y un 40% de probabilidades de que varíe el 10% o más en cinco horas. [35]

Como la energía eólica se genera mediante un gran número de pequeños generadores, las fallas individuales no tienen grandes impactos en las redes eléctricas. Esta característica de la energía eólica se ha denominado resiliencia. [36]

Energía solar

Producción solar diaria en el AT&T Park de San Francisco
Variación estacional de la producción de energía de los paneles solares del parque AT&T en San Francisco

La intermitencia afecta inherentemente a la energía solar , ya que la producción de electricidad renovable a partir de fuentes solares depende de la cantidad de luz solar en un lugar y momento determinados. La producción solar varía a lo largo del día y de las estaciones, y se ve afectada por el polvo, la niebla, la nubosidad, las heladas o la nieve. Muchos de los factores estacionales son bastante predecibles, y algunos sistemas solares térmicos utilizan el almacenamiento de calor para producir energía de la red durante un día completo. [37]

  • Variabilidad: En ausencia de un sistema de almacenamiento de energía , la energía solar no produce energía durante la noche, produce poca en condiciones climáticas adversas y varía según las estaciones. En muchos países, la energía solar produce más energía en estaciones con baja disponibilidad de viento y viceversa. [38]
  • Factor de capacidad La energía solar fotovoltaica estándar tiene un factor de capacidad anual promedio de 10-20%, [39] pero los paneles que se mueven y siguen al sol tienen un factor de capacidad de hasta 30%. [40] Energía solar térmica con canal parabólico con almacenamiento 56%. [41] Energía solar térmica de torre con almacenamiento 73%. [41]
Plato Stirling

El impacto de la intermitencia de la electricidad generada por energía solar dependerá de la correlación entre la generación y la demanda. Por ejemplo, las plantas de energía solar térmica como Nevada Solar One están en cierta medida adaptadas a las cargas pico de verano en áreas con demandas significativas de refrigeración, como el sudoeste de los Estados Unidos. Los sistemas de almacenamiento de energía térmica como la pequeña planta termosolar española Gemasolar pueden mejorar la adaptación entre el suministro solar y el consumo local. El factor de capacidad mejorado mediante el uso de almacenamiento térmico representa una disminución de la capacidad máxima y extiende el tiempo total en que el sistema genera energía. [42] [43] [44]

Hidroelectricidad de pasada

En muchos países ya no se construyen grandes represas debido al impacto ambiental de los embalses . Se han seguido construyendo proyectos de pasada . [45] La ausencia de un embalse da lugar a variaciones tanto estacionales como anuales en la electricidad generada.

Energía de las mareas

Tipos de marea

La energía maremotriz es la más predecible de todas las fuentes de energía renovable variable. Las mareas se invierten dos veces al día, pero nunca son intermitentes, sino que son completamente fiables. [46]

Energía de las olas

Las olas son creadas principalmente por el viento, por lo que la potencia disponible de las olas tiende a ser similar a la del viento, pero debido a la masa del agua es menos variable que la potencia eólica. La potencia eólica es proporcional al cubo de la velocidad del viento, mientras que la potencia de las olas es proporcional al cuadrado de la altura de la ola. [47] [48] [49]

Soluciones para su integración

La energía procedente de la luz solar o de otras fuentes de energía renovables se convierte en energía potencial para su almacenamiento en dispositivos como baterías eléctricas. La energía potencial almacenada se convierte posteriormente en electricidad que se incorpora a la red eléctrica, incluso cuando la fuente de energía original no está disponible.

La generación despachable desplazada podría ser carbón, gas natural, biomasa, nuclear, geotermia o hidroeléctrica de almacenamiento. [ cita requerida ] [ aclaración necesaria ] En lugar de encender y apagar la energía nuclear o geotérmica, es más barato usarlas como energía de carga base constante . Cualquier energía generada en exceso de la demanda puede reemplazar a los combustibles para calefacción, convertirse en almacenamiento o venderse a otra red. Los biocombustibles y la hidroeléctrica convencional se pueden guardar para más adelante, cuando las intermitentes no generen energía. Algunos pronostican que las energías renovables "casi firmes" (baterías con energía solar y/o eólica) serán más baratas que la energía nuclear existente para fines de la década de 2020: por lo tanto, dicen que no se necesitará energía de carga base. [50]

Las alternativas a la quema de carbón y gas natural, que producen menos gases de efecto invernadero , pueden acabar convirtiendo a los combustibles fósiles en un activo abandonado que se quede en el subsuelo. Las redes altamente integradas priorizan la flexibilidad y el rendimiento por sobre el costo, lo que da como resultado más plantas que funcionan durante menos horas y factores de capacidad más bajos . [51]

Todas las fuentes de energía eléctrica tienen cierto grado de variabilidad, al igual que los patrones de demanda que habitualmente provocan grandes oscilaciones en la cantidad de electricidad que los proveedores suministran a la red. Siempre que es posible, los procedimientos de operación de la red están diseñados para hacer coincidir la oferta con la demanda con altos niveles de confiabilidad, y las herramientas para influir en la oferta y la demanda están bien desarrolladas. La introducción de grandes cantidades de generación de energía altamente variable puede requerir cambios en los procedimientos existentes e inversiones adicionales.

La capacidad de un suministro confiable de energía renovable se puede satisfacer mediante el uso de infraestructura y tecnología de respaldo o adicional , utilizando energías renovables mixtas para producir electricidad por encima del promedio intermitente , que se puede utilizar para satisfacer demandas de suministro regulares e imprevistas. [52] Además, el almacenamiento de energía para llenar la intermitencia del déficit o para emergencias puede ser parte de un suministro confiable de energía.

En la práctica, a medida que varía la potencia de salida del viento, las plantas convencionales con carga parcial, que ya están presentes para proporcionar respuesta y reserva, ajustan su potencia para compensar. Si bien las penetraciones bajas de potencia intermitente pueden utilizar los niveles existentes de respuesta y reserva de rotación, las variaciones generales más grandes en niveles de penetración más altos requerirán reservas adicionales u otros medios de compensación.

Reserva operacional

Todas las redes gestionadas ya cuentan con reservas operativas y de "giro" para compensar las incertidumbres existentes en la red eléctrica. La incorporación de recursos intermitentes como el viento no requiere un "respaldo" del 100% porque las reservas operativas y los requisitos de equilibrio se calculan sobre una base de todo el sistema y no están dedicados a una planta generadora específica.

Algunas centrales hidroeléctricas o de gas se cargan parcialmente y luego se controlan para que cambien a medida que cambia la demanda o para reemplazar la generación perdida rápidamente. La capacidad de cambiar a medida que cambia la demanda se denomina "respuesta". La capacidad de reemplazar rápidamente la generación perdida, generalmente en escalas de tiempo de 30 segundos a 30 minutos, se denomina "reserva giratoria".

En general, las plantas térmicas que funcionan como plantas de carga punta serán menos eficientes que si lo hicieran como plantas de carga base . Las instalaciones hidroeléctricas con capacidad de almacenamiento, como la configuración tradicional de presa, pueden funcionar como plantas de carga base o de carga punta.

Las redes pueden contratar plantas de baterías de red , que proporcionan energía inmediatamente disponible durante una hora aproximadamente, lo que da tiempo para que se pongan en marcha otros generadores en caso de falla y reduce en gran medida la cantidad de reserva giratoria necesaria. [53] [54]

Respuesta a la demanda

La respuesta a la demanda es un cambio en el consumo de energía para alinearlo mejor con la oferta. Puede adoptar la forma de desconectar cargas o absorber energía adicional para corregir desequilibrios entre oferta y demanda. En los sistemas estadounidense, británico y francés se han creado incentivos para el uso de estos sistemas, como tarifas favorables o asistencia para los costos de capital, que alientan a los consumidores con grandes cargas a desconectarlas cuando hay escasez de capacidad o, por el contrario, a aumentar la carga cuando hay un excedente.

Ciertos tipos de control de carga permiten a la compañía eléctrica desconectar las cargas de forma remota si no hay suficiente energía disponible. En Francia, los grandes usuarios, como el CERN, reducen el consumo de energía según lo exige el operador del sistema, EDF, en virtud del incentivo de la tarifa EJP. [55] [56]

La gestión de la demanda de energía se refiere a los incentivos para ajustar el uso de la electricidad, como tarifas más altas durante las horas pico. Los precios variables de la electricidad en tiempo real pueden alentar a los usuarios a ajustar el uso para aprovechar los períodos en los que la energía está disponible a bajo precio y evitar los períodos en los que es más escasa y cara. [57] Algunas cargas, como las plantas de desalinización, las calderas eléctricas y las unidades de refrigeración industrial, pueden almacenar su producción (agua y calor). Varios artículos también concluyeron que las cargas de minería de Bitcoin reducirían el recorte , cubrirían el riesgo del precio de la electricidad , estabilizarían la red, aumentarían la rentabilidad de las centrales eléctricas de energía renovable y, por lo tanto, acelerarían la transición a la energía sostenible . [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] Pero otros argumentan que la minería de Bitcoin nunca puede ser sostenible. [66]

Reducción instantánea de la demanda. La mayoría de los sistemas grandes también tienen una categoría de cargas que se desconectan instantáneamente cuando hay una escasez de generación, en virtud de algún contrato mutuamente beneficioso. Esto puede generar reducciones o aumentos instantáneos de la carga.

Almacenamiento

Construcción de tanques de sal que proporcionan un almacenamiento eficiente de energía térmica [67] de modo que se pueda generar energía después de la puesta del sol y se pueda programar para satisfacer los requisitos de demanda. [68] La central generadora Solana de 280 MW está diseñada para proporcionar seis horas de almacenamiento de energía. Esto permite que la planta genere aproximadamente el 38 por ciento de su capacidad nominal en el transcurso de un año. [69]
Curva de aprendizaje de las baterías de iones de litio: el precio de las baterías disminuyó un 97% en tres décadas.

En momentos de baja carga, cuando la producción no despachable de energía eólica y solar puede ser alta, la estabilidad de la red requiere reducir la producción de varias fuentes generadoras despachables o incluso aumentar las cargas controlables, posiblemente mediante el uso de almacenamiento de energía para desplazar la producción a momentos de mayor demanda. Estos mecanismos pueden incluir:

La energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo es la tecnología más utilizada actualmente y puede mejorar sustancialmente la economía de la energía eólica. La disponibilidad de sitios hidroeléctricos adecuados para el almacenamiento varía de una red a otra. La eficiencia típica de ida y vuelta es del 80 %. [10] [70]

El ion de litio tradicional es el tipo más común utilizado para el almacenamiento de baterías a escala de red a partir de 2020. [actualizar][ 71] Las baterías de flujo recargables pueden servir como un medio de almacenamiento de gran capacidad y respuesta rápida. [13] El hidrógeno se puede crear a través de electrólisis y almacenar para su uso posterior. [72]

Los sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia tienen algunas ventajas sobre las baterías químicas. Además de una durabilidad considerable que les permite ser utilizados con frecuencia sin una reducción notable de su vida útil, también tienen tasas de respuesta y rampas muy rápidas. Pueden pasar de una descarga completa a una carga completa en unos pocos segundos. [73] Se pueden fabricar con materiales no tóxicos y respetuosos con el medio ambiente, y son fácilmente reciclables una vez que termina su vida útil. [74]

El almacenamiento de energía térmica almacena calor. El calor almacenado se puede utilizar directamente para las necesidades de calefacción o convertirse en electricidad. En el contexto de una planta de cogeneración, un almacenamiento de calor puede servir como un almacenamiento funcional de electricidad a costos comparativamente bajos. Aire acondicionado con almacenamiento de hielo El hielo se puede almacenar entre temporadas y se puede utilizar como fuente de aire acondicionado durante períodos de alta demanda. Los sistemas actuales solo necesitan almacenar hielo durante unas pocas horas, pero están bien desarrollados.

El almacenamiento de energía eléctrica genera cierta pérdida de energía debido a que el almacenamiento y la recuperación no son perfectamente eficientes. El almacenamiento también requiere inversión de capital y espacio para las instalaciones de almacenamiento.

Diversidad geográfica y tecnologías complementarias

Cinco días de producción horaria de cinco parques eólicos en Ontario

La variabilidad de la producción de una sola turbina eólica puede ser alta. La combinación de cualquier número adicional de turbinas, por ejemplo, en un parque eólico, da como resultado una variación estadística menor, siempre que la correlación entre la producción de cada turbina sea imperfecta, y las correlaciones siempre son imperfectas debido a la distancia entre cada turbina. De manera similar, las turbinas eólicas o los parques eólicos geográficamente distantes tienen correlaciones menores, lo que reduce la variabilidad general. Dado que la energía eólica depende de los sistemas meteorológicos, existe un límite al beneficio de esta diversidad geográfica para cualquier sistema de energía. [75]

Los parques eólicos múltiples distribuidos en una amplia zona geográfica y conectados entre sí producen energía de forma más constante y con menos variabilidad que las instalaciones más pequeñas. La producción eólica se puede predecir con cierto grado de confianza utilizando pronósticos meteorológicos, especialmente a partir de un gran número de turbinas o parques eólicos. Se espera que la capacidad de predecir la producción eólica aumente con el tiempo a medida que se recopilen datos, especialmente de instalaciones más nuevas. [75]

La electricidad producida a partir de energía solar tiende a contrarrestar las fluctuaciones de los suministros generados por el viento. Normalmente, hay más viento por la noche y durante el tiempo nublado o tormentoso, y hay más sol en los días despejados con menos viento. [76] Además, la energía eólica suele tener un pico en la temporada de invierno, mientras que la energía solar tiene un pico en la temporada de verano; la combinación de energía eólica y solar reduce la necesidad de energía de reserva despachable. [77]

  • En algunos lugares, la demanda de electricidad puede tener una alta correlación con la producción eólica, [ cita requerida ] particularmente en lugares donde las temperaturas frías impulsan el consumo eléctrico, ya que el aire frío es más denso y transporta más energía.
  • La penetración permitida puede aumentarse con más inversiones en generación de reserva. Por ejemplo, algunos días se podría producir un 80 % de energía eólica intermitente y, en los muchos días sin viento, sustituir el 80 % por energía despachable, como gas natural, biomasa e hidroeléctrica.
  • Las áreas con altos niveles existentes de generación hidroeléctrica pueden aumentar o disminuir su producción para incorporar cantidades sustanciales de energía eólica. Noruega , Brasil y Manitoba tienen altos niveles de generación hidroeléctrica, Quebec produce más del 90% de su electricidad a partir de energía hidroeléctrica, e Hydro-Québec es el mayor productor de energía hidroeléctrica del mundo. El noroeste del Pacífico de los EE. UU. ha sido identificado como otra región donde la energía eólica se complementa bien con la energía hidroeléctrica existente. [78] La capacidad de almacenamiento en las instalaciones hidroeléctricas estará limitada por el tamaño del embalse y por consideraciones ambientales y de otro tipo.

Conectando la red a nivel internacional

A menudo es posible exportar energía a redes vecinas en épocas de excedentes e importar energía cuando es necesario. Esta práctica es común en Europa [79] y entre los EE. UU. y Canadá. [80] La integración con otras redes puede reducir la concentración efectiva de energía variable: por ejemplo, la alta penetración de energía renovable variable en Dinamarca, en el contexto de las redes alemanas, holandesas y escandinavas con las que tiene interconexiones, es considerablemente menor como proporción del sistema total. La hidroelectricidad que compensa la variabilidad se puede utilizar en todos los países. [81]

Es posible que sea necesario mejorar sustancialmente la capacidad de la infraestructura de transmisión de energía para respaldar los planes de exportación e importación. En la transmisión se pierde algo de energía. El valor económico de la exportación de energía variable depende en parte de la capacidad de la red exportadora de proporcionar a la red importadora energía útil en momentos útiles a un precio atractivo.

Acoplamiento sectorial

La demanda y la generación pueden combinarse mejor cuando sectores como la movilidad, la calefacción y el gas se combinan con el sistema eléctrico. Por ejemplo, se espera que el mercado de vehículos eléctricos se convierta en la mayor fuente de capacidad de almacenamiento. Esta puede ser una opción más cara y adecuada para una alta penetración de energías renovables variables, en comparación con otras fuentes de flexibilidad. [82] La Agencia Internacional de la Energía afirma que el acoplamiento entre sectores es necesario para compensar el desajuste entre la demanda y la oferta estacionales. [83]

Los vehículos eléctricos se pueden cargar durante períodos de baja demanda y alta producción y, en algunos lugares, enviar energía desde el vehículo a la red eléctrica . [84] [85]

Penetración

La penetración se refiere a la proporción de una fuente de energía primaria (EP) en un sistema de energía eléctrica, expresada como porcentaje. [14] Existen varios métodos de cálculo que arrojan diferentes penetraciones. La penetración se puede calcular como: [86]

  1. la capacidad nominal (potencia instalada) de una fuente de energía eléctrica dividida por la carga máxima dentro de un sistema de energía eléctrica; o
  2. la capacidad nominal (potencia instalada) de una fuente de energía eléctrica dividida por la capacidad total del sistema de energía eléctrica; o
  3. la energía eléctrica generada por una fuente PE en un período determinado, dividida por la demanda del sistema eléctrico en este período.

El nivel de penetración de fuentes variables intermitentes es significativo por las siguientes razones:

  • Las redes eléctricas con cantidades significativas de almacenamiento por bombeo despachable, energía hidroeléctrica con embalse o estanque u otras plantas de energía de pico como las plantas de energía a gas natural son capaces de acomodar fluctuaciones de energía intermitente con mayor facilidad. [87]
  • Los sistemas de energía eléctrica relativamente pequeños sin una interconexión fuerte (como las islas remotas) pueden conservar algunos generadores diésel existentes pero consumir menos combustible, [88] para mayor flexibilidad [89] hasta que las fuentes de energía más limpias o el almacenamiento, como la energía hidroeléctrica bombeada o las baterías, se vuelvan rentables. [90]

A principios de la década de 2020, la energía eólica y solar producen el 10% de la electricidad mundial, [91] pero ya se ha implementado un suministro con una penetración del 40-55% en varios sistemas, [6] con más del 65% planificado para el Reino Unido para 2030. [92] [93]

No existe un nivel máximo de penetración generalmente aceptado, ya que la capacidad de cada sistema para compensar la intermitencia es diferente y los propios sistemas cambiarán con el tiempo. El análisis de cifras de penetración aceptables o inaceptables debe tratarse y utilizarse con cautela, ya que la relevancia o importancia dependerá en gran medida de factores locales, la estructura y la gestión de la red y la capacidad de generación existente.

En la mayoría de los sistemas del mundo, los niveles de penetración existentes son significativamente inferiores a los máximos prácticos o teóricos. [86]

Límites máximos de penetración

Se estima que la penetración máxima de la energía eólica y solar combinadas es de alrededor del 70% al 90% sin agregación regional, gestión de la demanda o almacenamiento, y hasta el 94% con 12 horas de almacenamiento. [94] Es más probable que la eficiencia económica y las consideraciones de costos dominen como factores críticos; las soluciones técnicas pueden permitir que se consideren niveles de penetración más altos en el futuro, en particular si las consideraciones de costos son secundarias.

Impactos económicos de la variabilidad

Las estimaciones del costo de la energía eólica y solar pueden incluir estimaciones de los costos "externos" de la variabilidad eólica y solar, o limitarse al costo de producción. Toda planta eléctrica tiene costos que son independientes del costo de producción, incluido, por ejemplo, el costo de cualquier capacidad de transmisión necesaria o capacidad de reserva en caso de pérdida de capacidad de generación. Muchos tipos de generación, en particular los derivados de combustibles fósiles, tendrán externalidades de costos como la contaminación, la emisión de gases de efecto invernadero y la destrucción del hábitat , que generalmente no se contabilizan directamente.

La magnitud de los impactos económicos es objeto de debate y variará según la ubicación, pero se espera que aumente con niveles más altos de penetración. En niveles bajos de penetración, se cree que los costos como la reserva operativa y los costos de equilibrio son insignificantes.

La intermitencia puede generar costos adicionales que son distintos o de una magnitud diferente a los de los tipos de generación tradicionales. Estos pueden incluir:

  • Capacidad de transmisión: la capacidad de transmisión puede ser más cara que la capacidad de generación nuclear y a carbón debido a factores de carga más bajos. La capacidad de transmisión generalmente se dimensionará en función de la producción máxima proyectada, pero la capacidad promedio para la energía eólica será significativamente menor, lo que aumentará el costo por unidad de energía realmente transmitida. Sin embargo, los costos de transmisión son una fracción baja de los costos totales de energía. [95]
  • Reserva operativa adicional: si la energía eólica y solar adicional no se corresponde con los patrones de demanda, puede ser necesaria una reserva operativa adicional en comparación con otros tipos de generación, pero esto no da como resultado mayores costos de capital para plantas adicionales, ya que se trata simplemente de plantas existentes que funcionan a baja producción (reserva en funcionamiento). Contrariamente a las afirmaciones de que toda la energía eólica debe estar respaldada por una cantidad igual de "capacidad de respaldo", los generadores intermitentes contribuyen a la capacidad base "siempre que haya alguna probabilidad de producción durante los períodos pico". La capacidad de respaldo no se atribuye a generadores individuales, ya que la reserva operativa o de respaldo "solo tiene significado a nivel del sistema". [96]
  • Costos de equilibrio: para mantener la estabilidad de la red, pueden generarse algunos costos adicionales para equilibrar la carga con la demanda. Si bien las mejoras en el equilibrio de la red pueden ser costosas, pueden generar ahorros a largo plazo. [97] [98] [99] [100]

En muchos países, para muchos tipos de energía renovable variable, de vez en cuando el gobierno invita a las empresas a presentar ofertas selladas para construir una cierta capacidad de energía solar para conectarse a ciertas subestaciones eléctricas. Al aceptar la oferta más baja, el gobierno se compromete a comprar a ese precio por kWh durante un número fijo de años, o hasta una cierta cantidad total de energía. Esto brinda seguridad a los inversores frente a los precios de la electricidad al por mayor altamente volátiles. [101] [102] [103] Sin embargo, aún pueden correr el riesgo de volatilidad del tipo de cambio si piden préstamos en moneda extranjera. [104]

Ejemplos por país

Gran Bretaña

El operador del sistema eléctrico británico ha dicho que será capaz de operar con cero emisiones de carbono para 2025, siempre que haya suficiente generación renovable, y puede ser carbono negativo para 2033. [105] La empresa, National Grid Electricity System Operator, afirma que los nuevos productos y servicios ayudarán a reducir el costo general de operación del sistema. [106]

Alemania

En los países con una cantidad considerable de energía renovable, la energía solar provoca caídas de precios alrededor del mediodía todos los días. La producción fotovoltaica sigue la mayor demanda durante estas horas. Las imágenes siguientes muestran dos semanas en 2022 en Alemania, donde la energía renovable tiene una participación de más del 40%. [107] Los precios también bajan todas las noches y los fines de semana debido a la baja demanda. En las horas sin energía fotovoltaica ni eólica, los precios de la electricidad suben. Esto puede provocar ajustes del lado de la demanda. Si bien la industria depende de los precios por hora, la mayoría de los hogares privados todavía pagan una tarifa fija. Con medidores inteligentes , los consumidores privados también pueden motivarse, por ejemplo, a cargar un automóvil eléctrico cuando hay suficiente energía renovable disponible y los precios son baratos.

La flexibilidad en la producción de electricidad es esencial para respaldar las fuentes de energía variables. El ejemplo alemán muestra que el almacenamiento de energía hidroeléctrica por bombeo, las plantas de gas y el carbón duro aumentan rápidamente. El lignito varía diariamente. La energía nuclear y la biomasa pueden, en teoría, adaptarse hasta cierto punto. Sin embargo, en este caso los incentivos aún no parecen ser lo suficientemente altos.

Véase también

Referencias

  1. ^ Cartlidge, Edwin (18 de noviembre de 2011). "Ahorrar para un día lluvioso". Science . 334 (6058): 922–924. Bibcode :2011Sci...334..922C. doi :10.1126/science.334.6058.922. ISSN  0036-8075. PMID  22096185.
  2. ^ "Operación flexible de plantas de energía para permitir una alta penetración de energía renovable". IESR . 2022-06-15 . Consultado el 2022-11-21 .
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Lectura adicional

  • Sivaram, Varun (2018). Domando el sol: innovación para aprovechar la energía solar y alimentar el planeta . Cambridge, MA: MIT Press. ISBN 978-0-262-03768-6.
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