Energía híbrida

La energía híbrida son combinaciones entre diferentes tecnologías para producir energía.

En ingeniería energética , el término "híbrido" describe un sistema combinado de potencia y almacenamiento de energía. ^[1]

Ejemplos de productores de energía utilizados en energía híbrida son la energía fotovoltaica , las turbinas eólicas , los sistemas eólicos-hidrógeno y varios tipos de motores-generadores  , por ejemplo, los grupos electrógenos diésel. ^[2]

Las centrales eléctricas híbridas suelen contener un componente de energía renovable (como la energía fotovoltaica) que se equilibra mediante una segunda forma de generación o almacenamiento, como un grupo electrógeno diésel, una pila de combustible o un sistema de almacenamiento de baterías. ^[3] También pueden proporcionar otras formas de energía, como calor para algunas aplicaciones. ^{[4] [5]}

Los sistemas híbridos, como su nombre lo indica, combinan dos o más modos de generación de electricidad, generalmente utilizando tecnologías renovables como la energía solar fotovoltaica (PV) y las turbinas eólicas. Los sistemas híbridos proporcionan un alto nivel de seguridad energética a través de la combinación de métodos de generación y, a menudo, incorporan un sistema de almacenamiento (batería, pila de combustible ) o un pequeño generador alimentado con combustible fósil para garantizar la máxima fiabilidad y seguridad del suministro. ^[6]

Los sistemas híbridos de energía renovable se están volviendo populares como sistemas de energía independientes para proporcionar electricidad en áreas remotas debido a los avances en las tecnologías de energía renovable y el consiguiente aumento de los precios de los productos derivados del petróleo . Un sistema de energía híbrido, o potencia híbrida, generalmente consta de dos o más fuentes de energía renovable utilizadas juntas para proporcionar una mayor eficiencia del sistema, así como un mayor equilibrio en el suministro de energía. ^[5]

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La energía solar flotante generalmente se agrega a la energía hidroeléctrica existente en lugar de construir ambas juntas.

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  Sistema híbrido eólico y solar típico
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  Híbrido en Žirje , Croacia
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  Pequeño sistema híbrido de energía eólica y solar

Otro ejemplo de un sistema de energía híbrido es un sistema fotovoltaico acoplado a una turbina eólica . ^[7] Esto generaría más energía de la turbina eólica durante el invierno, mientras que durante el verano, los paneles solares producirían su máxima producción. Los sistemas de energía híbridos suelen producir mayores beneficios económicos y ambientales que los sistemas eólicos, solares, geotérmicos o de trigeneración independientes por sí solos. ^[8]

El uso combinado de sistemas eólicos y solares produce, en muchos lugares, una producción de energía más uniforme y limpia, ya que los recursos están anticorrelacionados. Por lo tanto, el uso combinado de sistemas eólicos y solares es crucial para una integración de la red a gran escala. ^[9]

En 2019 , en el oeste de Minnesota , se instaló un sistema híbrido de 5 millones de dólares. Hace funcionar 500 kW de energía solar a través del inversor de una turbina eólica de 2 MW, lo que aumenta el factor de capacidad y reduce los costos en 150.000 dólares al año. Los contratos de compra limitan al distribuidor local a un máximo del 5 % de autogeneración. ^{[10] [11]}

La Torre Pearl River en Guangzhou , China, combinará paneles solares en sus ventanas y varias turbinas eólicas en diferentes pisos de su estructura, lo que permitirá que esta torre sea energéticamente positiva. ^{[ cita requerida ]}

En varias partes de China y la India, hay torres de iluminación con combinaciones de paneles solares y turbinas eólicas en su parte superior. Esto permite que el espacio que ya se utiliza para la iluminación se utilice de manera más eficiente con dos unidades de producción de energía complementarias. Los modelos más comunes utilizan turbinas eólicas de eje horizontal, pero ahora están apareciendo modelos con turbinas eólicas de eje vertical, utilizando un sistema Savonius retorcido con forma helicoidal. ^{[ cita requerida ]}

Se han probado paneles solares en turbinas eólicas ya existentes , pero producen rayos de luz cegadores que suponen una amenaza para los aviones . Una solución fue producir paneles solares tintados que no reflejen tanta luz. Otro diseño propuesto fue tener una turbina eólica de eje vertical recubierta de células solares capaces de absorber la luz solar desde cualquier ángulo. ^[12]

Otros sistemas híbridos solares incluyen sistemas solares y eólicos. La combinación de energía eólica y solar tiene la ventaja de que las dos fuentes se complementan entre sí porque los momentos de máxima operación de cada sistema ocurren en diferentes momentos del día y del año. La generación de energía de un sistema híbrido de este tipo es más constante y fluctúa menos que la de cada uno de los dos subsistemas que lo componen. ^[13]

Un sistema hidroeléctrico-eólico genera energía eléctrica combinando turbinas eólicas y almacenamiento por bombeo . La combinación ha sido objeto de un largo debate y, a fines de los años 1970, Nova Scotia Power implementó una planta experimental, que también probó turbinas eólicas, en su sitio de energía hidroeléctrica de Wreck Cove , pero fue desmantelada al cabo de diez años. Desde entonces, hasta fines de 2010, no se había implementado ningún otro sistema en un solo lugar. ^[14]

Las centrales hidroeléctricas y eólicas destinan la totalidad o una parte importante de sus recursos eólicos a bombear agua hacia depósitos de almacenamiento por bombeo. Estos depósitos son una implementación del almacenamiento de energía en la red .

El viento y su potencial de generación son inherentemente variables. Sin embargo, cuando esta fuente de energía se utiliza para bombear agua a embalses situados a cierta altura (el principio en el que se basa el almacenamiento por bombeo), la energía potencial del agua es relativamente estable y se puede utilizar para generar energía eléctrica liberándola en una central hidroeléctrica cuando sea necesario. ^[15] Se ha dicho que esta combinación es especialmente adecuada para las islas que no están conectadas a redes más grandes. ^[14]

Durante la década de 1980, se propuso una instalación en los Países Bajos. ^[16] El IJsselmeer se utilizaría como embalse, con turbinas eólicas ubicadas en su dique. ^[17] Se han realizado estudios de viabilidad para instalaciones en la isla de Ramea ( Terranova y Labrador ) y en la reserva india de Lower Brule ( Dakota del Sur ). ^{[18] [19]}

En 2010, se inició la fase de construcción de una instalación en la isla de Ikaria (Grecia). ^[14]

Se espera que la primera central hidroeléctrica y eólica del mundo se complete en la isla de El Hierro ^{[20] .} Current TV la denominó "un plan para un futuro sostenible en el planeta Tierra". Se diseñó para cubrir entre el 80 y el 100% de la energía de la isla y estaba previsto que entrara en funcionamiento en 2012 ^[21]. Sin embargo, estas expectativas no se cumplieron en la práctica, probablemente debido al volumen inadecuado de los embalses y a los persistentes problemas con la estabilidad de la red ^{[22] .}

Los sistemas de energía 100% renovable requieren un exceso de capacidad de energía eólica o solar. ^[23]

Aunque la energía solar fotovoltaica genera energía intermitente más barata durante el día, necesita el apoyo de fuentes de generación de energía sostenibles para proporcionar energía las 24 horas del día. Las plantas termosolares con almacenamiento térmico son una generación de energía limpia y sostenible para suministrar electricidad las 24 horas del día. ^{[24] [25]} Pueden satisfacer la demanda de carga perfectamente y funcionar como plantas de energía de carga base cuando se encuentra un exceso de energía solar extraída en un día. ^[26] Una combinación adecuada de energía solar térmica (tipo almacenamiento térmico) y energía solar fotovoltaica puede adaptarse completamente a las fluctuaciones de carga sin la necesidad de un costoso almacenamiento en baterías. ^{[27] [28]}

Durante el día, el consumo adicional de energía auxiliar de una planta de energía solar térmica de almacenamiento es de casi el 10% de su capacidad nominal para el proceso de extracción de energía solar en forma de energía térmica. ^[26] Este requerimiento de energía auxiliar puede ser aprovechado por una planta solar fotovoltaica más barata al contemplar una planta solar híbrida con una mezcla de plantas solares térmicas y solares fotovoltaicas en un sitio. Además, para optimizar el costo de la energía, la generación puede ser de la planta solar fotovoltaica más barata (33% de generación) durante el día, mientras que el resto del tiempo en un día es de la planta de almacenamiento solar térmico (67% de generación de torres de energía solar y tipos de canal parabólico ) para cumplir con el funcionamiento de carga base de 24 horas. ^[29] Cuando una planta de almacenamiento solar térmico se ve obligada a permanecer inactiva debido a la falta de luz solar local durante los días nublados de la temporada de monzones, también es posible consumir (de manera similar a un sistema de almacenamiento de baterías de bajo costo, de gran capacidad y menor eficiencia) el excedente barato/energía deficiente de las plantas de energía solar fotovoltaica, eólica e hidroeléctrica calentando la sal fundida caliente a una temperatura más alta para convertir la energía térmica almacenada en electricidad durante las horas de demanda pico, cuando el precio de venta de la electricidad es rentable. ^{[30] [31]}

La energía solar fotovoltaica ofrece una salida variable que se puede compensar con el almacenamiento en baterías. Sin embargo, existen grandes variaciones en la producción a lo largo del día y, en muchos lugares, también según la estación. La batería ayuda a adaptar la energía a la carga. Un inversor solar híbrido permite además almacenar la electricidad de bajo coste que se consume con tarifas económicas. ^[32]

En 2024, EE. UU. tendrá 288 plantas de energía solar+batería con una capacidad de almacenamiento de 7,8 GW de potencia y 24,2 GWh de energía. ^[33]

Un método para almacenar energía eólica es la producción de hidrógeno mediante la electrólisis del agua . Este hidrógeno se utiliza posteriormente para generar electricidad durante los períodos en los que la demanda no puede satisfacerse únicamente con el viento. La energía del hidrógeno almacenado se puede convertir en energía eléctrica mediante la tecnología de pilas de combustible o un motor de combustión conectado a un generador eléctrico .

El almacenamiento exitoso de hidrógeno presenta muchos problemas que deben superarse, como la fragilización de los materiales utilizados en el sistema eléctrico.

Esta tecnología se está desarrollando en muchos países. En 2007, una empresa australiana llamada Wind Hydrogen salió a bolsa con el objetivo de comercializar esta tecnología tanto en Australia como en el Reino Unido. ^[34] En 2008, la empresa cambió su nombre y dedicó sus operaciones a la exploración de combustibles fósiles. ^[35]

En 2007, los sitios de prueba de tecnología incluyeron:

Un sistema de energía híbrido eólico-diésel combina generadores diésel y turbinas eólicas, ^[45] generalmente junto con equipos auxiliares como almacenamiento de energía, convertidores de potencia y varios componentes de control, para generar electricidad. Están diseñados para aumentar la capacidad y reducir el costo y el impacto ambiental de la generación eléctrica en comunidades remotas e instalaciones que no están conectadas a una red eléctrica . ^[45] Los sistemas híbridos eólico-diésel reducen la dependencia del combustible diésel, que genera contaminación y es costoso de transportar. ^[45]

Durante la última parte del siglo XX se han estado desarrollando y probando sistemas de generación de energía eólica y diésel en varios lugares. Se ha desarrollado un número cada vez mayor de sitios viables con mayor confiabilidad y costos de soporte técnico minimizados en comunidades remotas. ^{[ cita requerida ]}

La integración exitosa de la energía eólica con los grupos electrógenos diésel depende de controles complejos para asegurar la distribución correcta de la energía eólica intermitente y la generación diésel controlable para satisfacer la demanda de la carga generalmente variable. La medida común del rendimiento de los sistemas diésel-eólicos es la penetración eólica, que es la relación entre la energía eólica y la energía total suministrada; por ejemplo, una penetración eólica del 60 % implica que el 60 % de la energía del sistema proviene del viento. Las cifras de penetración eólica pueden ser pico o de largo plazo. Sitios como la estación Mawson , en la Antártida, así como Coral Bay y Bremer Bay en Australia tienen penetraciones eólicas pico de alrededor del 90 %. Las soluciones técnicas para la producción eólica variable incluyen controlar la producción eólica utilizando turbinas eólicas de velocidad variable (por ejemplo, Enercon , Denham, Australia Occidental ), controlar la demanda como la carga de calefacción (por ejemplo, Mawson), almacenar energía en un volante de inercia (por ejemplo, Powercorp, Coral Bay). Algunas instalaciones se están convirtiendo ahora en sistemas de hidrógeno eólico , como en Ramea en Canadá, cuya finalización está prevista para 2010. ^{[ cita requerida ]}

Recientemente, ^{[¿ cuándo? ]} en el norte de Canadá, la industria minera construyó sistemas híbridos de energía eólica y diésel. En lugares remotos como Lac de Gras, en los Territorios del Noroeste de Canadá, y Katinniq, en la península de Ungava, Nunavik, se utilizan dos sistemas para ahorrar combustible en las minas. Existe otro sistema en Argentina. ^[46]

La energía eólica y solar son fuentes de energía renovable variables que no son tan consistentes como la energía de carga base y una planta de energía de hidrógeno de ciclo combinado podría ayudar a las energías renovables capturando el exceso de energía, con electrólisis , cuando producen demasiada para poder llenar los vacíos cuando no producen lo suficiente. ^[47]

En las centrales eléctricas que utilizan almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES), se utiliza energía eléctrica para comprimir el aire y almacenarlo en instalaciones subterráneas como cavernas o minas abandonadas. Durante los períodos posteriores de alta demanda eléctrica, el aire se libera para alimentar turbinas, generalmente utilizando gas natural complementario . ^[48] Las centrales eléctricas que hacen un uso significativo de CAES están operativas en McIntosh, Alabama , Alemania y Japón. ^[49] Las desventajas del sistema incluyen algunas pérdidas de energía en el proceso CAES; además, la necesidad de un uso complementario de combustibles fósiles como el gas natural significa que estos sistemas no hacen un uso completo de la energía renovable. ^[50]

El Parque de Energía Almacenada de Iowa , cuya operación comercial está prevista para 2015, utilizará parques eólicos de Iowa como fuente de energía en conjunto con CAES. ^[51]

También es posible combinar energía solar y geotérmica. ^[52]

Un tipo común es el sistema híbrido fotovoltaico diésel ^{[53] [54],} que combina energía fotovoltaica (PV) y generadores diésel , o grupos electrógenos diésel, ya que la energía fotovoltaica tiene un coste marginal mínimo y se trata con prioridad en la red . Los grupos electrógenos diésel se utilizan para llenar constantemente la brecha entre la carga actual y la energía generada realmente por el sistema fotovoltaico. ^[55]

Como la energía solar fluctúa y la capacidad de generación de los grupos electrógenos diésel está limitada a un cierto rango, a menudo es una opción viable incluir almacenamiento de batería para optimizar la contribución de la energía solar a la generación general del sistema híbrido. ^{[55] [56]}

Los mejores casos de negocio para la reducción del diésel con energía solar y eólica normalmente se pueden encontrar en lugares remotos porque estos sitios a menudo no están conectados a la red y el transporte de diésel a largas distancias es costoso. ^[57] Muchas de estas aplicaciones se pueden encontrar en el sector minero ^[58] y en islas ^{[55] [59] [60]}

En 2015, un estudio de caso realizado en siete países concluyó que, en todos los casos, los costos de generación se pueden reducir mediante la hibridación de minirredes y redes aisladas. Sin embargo, los costos de financiamiento para las redes eléctricas alimentadas con diésel y energía solar fotovoltaica son cruciales y dependen en gran medida de la estructura de propiedad de la planta de energía. Si bien las reducciones de costos para las empresas de servicios públicos estatales pueden ser significativas, el estudio también identificó que los beneficios económicos a corto plazo son insignificantes o incluso negativos para las empresas de servicios públicos no públicas, como los productores de energía independientes , dados los costos históricos en el momento del estudio. ^{[61] [62]}

Podría ser posible añadir energía de las olas a la energía eólica y solar. ^[63]

• Sistema de energía autónomo
• Lista de plantas de almacenamiento de energía
• Generación distribuida
• Colector solar híbrido fotovoltaico térmico

• HAMILTON SPECTATOR - Integración de tecnología de celdas de combustible en la estructura de una turbina eólica que puede producir hidrógeno y oxígeno criocomprimido que se almacena en el sitio y se utiliza para generar energía eléctrica cuando no hay viento
• Asociación Internacional para la Energía del Hidrógeno Archivado el 27 de agosto de 2013 en Wayback Machine.
• Asociación Europea del Hidrógeno
• RES2H2 Archivado el 4 de enero de 2014 en Wayback Machine.
• Hidrógeno eólico del NREL
• Plataforma energética "Renovables y Minería"
• Demostración de un sistema híbrido integrado de energía renovable con esquema del sistema