La generación distribuida , también energía distribuida , generación in situ ( OSG ), [1] o energía distrital/descentralizada , es la generación y almacenamiento de electricidad realizado por una variedad de dispositivos pequeños, conectados a la red o al sistema de distribución, conocidos como energía distribuida. recursos ( DER ). [2]
Las centrales eléctricas convencionales , como las de carbón , gas y nucleares , así como las represas hidroeléctricas y las centrales solares de gran escala , están centralizadas y a menudo requieren que la energía eléctrica se transmita a largas distancias. Por el contrario, los sistemas DER son tecnologías descentralizadas, modulares y más flexibles que se ubican cerca de la carga a la que sirven, aunque tienen capacidades de sólo 10 megavatios (MW) o menos. Estos sistemas pueden comprender múltiples componentes de generación y almacenamiento; en este caso se les llama sistemas de energía híbridos . [3]
Los sistemas DER suelen utilizar fuentes de energía renovables , incluidas pequeñas centrales hidroeléctricas , biomasa , biogás , energía solar , energía eólica y energía geotérmica , y desempeñan cada vez más un papel importante para el sistema de distribución de energía eléctrica . Un dispositivo conectado a la red para almacenamiento de electricidad también puede clasificarse como sistema DER y a menudo se le denomina sistema distribuido de almacenamiento de energía ( DESS ). Mediante una interfaz, los sistemas DER se pueden gestionar y coordinar dentro de una red inteligente . La generación y el almacenamiento distribuidos permiten recolectar energía de muchas fuentes y pueden reducir el impacto ambiental y mejorar la seguridad del suministro.
Uno de los principales problemas con la integración de DER, como la energía solar, la energía eólica, etc., es la naturaleza incierta de dichos recursos eléctricos. Esta incertidumbre puede causar algunos problemas en el sistema de distribución: (i) hace que las relaciones entre oferta y demanda sean extremadamente complejas y requiere herramientas de optimización complicadas para equilibrar la red, y (ii) ejerce una mayor presión sobre la red de transmisión [4 ] y (iii) puede provocar un flujo inverso de energía desde el sistema de distribución al sistema de transmisión. [5]
Las microrredes son redes modernas, localizadas y de pequeña escala, [6] [7] a diferencia de la red eléctrica tradicional y centralizada (macrored). Las microrredes pueden desconectarse de la red centralizada y operar de forma autónoma, fortalecer la resiliencia de la red y ayudar a mitigar las perturbaciones de la red. Por lo general, son redes de CA de bajo voltaje, a menudo utilizan generadores diésel y las instala la comunidad a la que sirven. Las microrredes emplean cada vez más una combinación de diferentes recursos energéticos distribuidos, como los sistemas de energía solar híbrida , que reducen significativamente la cantidad de carbono emitido.
Históricamente, las plantas centrales han sido una parte integral de la red eléctrica, en la que las grandes instalaciones de generación están ubicadas específicamente cerca de los recursos o lejos de los centros de carga poblados . Estos, a su vez, suministran la red tradicional de transmisión y distribución (T&D) que distribuye energía a granel a los centros de carga y desde allí a los consumidores. Estos se desarrollaron cuando los costos de transporte de combustible e integración de tecnologías de generación en áreas pobladas excedían con creces el costo de desarrollar instalaciones y tarifas de T&D. Las plantas centrales generalmente están diseñadas para aprovechar las economías de escala disponibles de manera específica para el sitio y se construyen como proyectos personalizados "únicos".
Estas economías de escala comenzaron a fallar a fines de la década de 1960 y, a principios del siglo XXI, las plantas centrales ya no podían suministrar electricidad competitivamente barata y confiable a clientes más remotos a través de la red, porque las plantas habían llegado a costar menos que red y se había vuelto tan fiable que casi todos los cortes de energía se originaban en la red. [ cita necesaria ] Por lo tanto, la red se había convertido en el principal impulsor de los costos de energía de los clientes remotos y los problemas de calidad de la energía, que se agudizaron a medida que los equipos digitales requerían electricidad extremadamente confiable. [8] [9] Las ganancias de eficiencia ya no provienen del aumento de la capacidad de generación, sino de unidades más pequeñas ubicadas más cerca de los sitios de demanda. [10] [11]
Por ejemplo, las centrales eléctricas de carbón se construyen lejos de las ciudades para evitar que la fuerte contaminación del aire afecte a la población. Además, estas plantas suelen construirse cerca de minas de carbón para minimizar el coste del transporte del carbón. Las centrales hidroeléctricas , por su naturaleza, se limitan a funcionar en lugares con suficiente caudal de agua.
La baja contaminación es una ventaja crucial de las plantas de ciclo combinado que queman gas natural . La baja contaminación permite que las plantas estén lo suficientemente cerca de una ciudad para proporcionar calefacción y refrigeración urbana .
Los recursos energéticos distribuidos se producen en masa, son pequeños y menos específicos de un lugar. Su desarrollo surgió de:
Los mercados de capital se han dado cuenta de que los recursos del tamaño adecuado, para clientes individuales, subestaciones de distribución o microrredes, pueden ofrecer ventajas económicas importantes, pero poco conocidas, sobre las plantas centrales. Las unidades más pequeñas ofrecían mayores economías gracias a la producción en masa que las que las grandes podían obtener gracias al tamaño de la unidad. Este mayor valor (debido a mejoras en el riesgo financiero, la flexibilidad de la ingeniería, la seguridad y la calidad ambiental) de estos recursos a menudo puede compensar con creces sus aparentes desventajas de costos. [12] La generación distribuida (GD), frente a las centrales centrales, debe justificarse en función del ciclo de vida. [13] Desafortunadamente, muchos de los beneficios directos, y prácticamente todos los indirectos, de la GD no se reflejan en la contabilidad tradicional del flujo de efectivo de las empresas de servicios públicos . [8]
Si bien el costo nivelado de la GD suele ser más caro que el de las fuentes centralizadas convencionales en términos de kilovatios-hora, esto no considera los aspectos negativos de los combustibles convencionales. La prima adicional para la GD está disminuyendo rápidamente a medida que aumenta la demanda y avanza la tecnología, [ cita necesaria ] [14] [15] y una demanda suficiente y confiable puede generar economías de escala, innovación, competencia y financiamiento más flexible, que podrían hacer que la GD sea limpia. la energía como parte de un futuro más diversificado. [ cita necesaria ]
La GD reduce la cantidad de energía perdida en la transmisión de electricidad porque la electricidad se genera muy cerca de donde se utiliza, tal vez incluso en el mismo edificio. Esto también reduce el tamaño y la cantidad de líneas eléctricas que deben construirse.
Los sistemas DER típicos en un esquema de tarifa de alimentación (FIT) tienen poco mantenimiento, baja contaminación y alta eficiencia. En el pasado, estas características requerían ingenieros operativos dedicados y plantas grandes y complejas para reducir la contaminación. Sin embargo, los sistemas integrados modernos pueden proporcionar estas características con funcionamiento automatizado y energías renovables , como la solar , la eólica y la geotérmica . Esto reduce el tamaño de la central eléctrica que puede generar beneficios.
La paridad de red ocurre cuando una fuente de energía alternativa puede generar electricidad a un costo nivelado ( LCOE ) que es menor o igual al precio minorista del consumidor final. Se considera que alcanzar la paridad de red es el punto en el que una fuente de energía se convierte en un competidor para un desarrollo generalizado sin subsidios ni apoyo gubernamental. Desde la década de 2010, la paridad de red para energía solar y eólica se ha convertido en una realidad en un número creciente de mercados, incluidos Australia, varios países europeos y algunos estados de EE. UU. [16]
Los sistemas de recursos energéticos distribuidos ( DER ) son tecnologías de generación o almacenamiento de energía a pequeña escala (normalmente en el rango de 1 kW a 10 000 kW) [17] que se utilizan para proporcionar una alternativa o una mejora del sistema de energía eléctrica tradicional. Los sistemas DER normalmente se caracterizan por altos costos de capital inicial por kilovatio. [18] Los sistemas DER también sirven como dispositivo de almacenamiento y a menudo se les llama sistemas de almacenamiento de energía distribuida (DESS). [19]
Los sistemas DER pueden incluir los siguientes dispositivos/tecnologías:
Las fuentes de cogeneración distribuida utilizan turbinas de vapor, pilas de combustible alimentadas con gas natural , microturbinas o motores alternativos [22] para hacer girar los generadores. El escape caliente se utiliza luego para calentar espacios o agua , o para accionar un enfriador por absorción [23] [24] para enfriar, como el aire acondicionado . Además de los esquemas basados en gas natural, los proyectos de energía distribuida también pueden incluir otros combustibles renovables o bajos en carbono, incluidos biocombustibles, biogás , gas de vertedero , gas de aguas residuales , metano de yacimientos de carbón , gas de síntesis y gas de petróleo asociado . [25]
Los consultores Delta-ee declararon en 2013 que, con el 64% de las ventas mundiales, la microcombinación de calor y energía de pila de combustible superó a los sistemas convencionales en ventas en 2012. [26] Se vendieron 20.000 unidades en Japón en 2012 en total dentro del proyecto Ene Farm. Con una vida útil de alrededor de 60.000 horas para las unidades de pila de combustible PEM , que se apagan por la noche, esto equivale a una vida útil estimada de entre diez y quince años. [27] Por un precio de $22,600 antes de la instalación. [28] Para 2013 está en vigor una subvención estatal para 50.000 unidades. [27]
Además, como recurso energético distribuido se utilizan pilas de combustible de carbonato fundido y pilas de combustible de óxido sólido que utilizan gas natural, como las de FuelCell Energy y el servidor de energía Bloom , o procesos de conversión de residuos en energía, como el Gate 5 Energy System. .
La energía fotovoltaica , con diferencia la tecnología solar más importante para la generación distribuida de energía solar , utiliza células solares ensambladas en paneles solares para convertir la luz solar en electricidad. Es una tecnología de rápido crecimiento que duplica su capacidad instalada en todo el mundo cada dos años. Los sistemas fotovoltaicos varían desde instalaciones distribuidas, residenciales y comerciales en tejados o instalaciones integradas en edificios , hasta grandes centrales fotovoltaicas centralizadas a escala de servicios públicos .
La tecnología fotovoltaica predominante es el silicio cristalino , mientras que la tecnología de células solares de película delgada representa alrededor del 10 por ciento del despliegue fotovoltaico mundial. [29] : 18, 19 En los últimos años, la tecnología fotovoltaica ha mejorado su eficiencia de conversión de luz solar en electricidad , ha reducido el coste de instalación por vatio , así como su tiempo de recuperación de la energía (EPBT) y el coste nivelado de la electricidad (LCOE), y ha alcanzado paridad de red en al menos 19 mercados diferentes en 2014. [30]
Como la mayoría de las fuentes de energía renovables y a diferencia del carbón y la nuclear, la energía solar fotovoltaica es variable y no despachable , pero no tiene costos de combustible ni contaminación operativa, además de reducir considerablemente los problemas de seguridad minera y operativa. Produce energía máxima alrededor del mediodía local todos los días y su factor de capacidad es de alrededor del 20 por ciento. [31]
Las turbinas eólicas pueden ser recursos energéticos distribuidos o pueden construirse a escala de servicios públicos. Estos requieren poco mantenimiento y baja contaminación, pero el viento distribuido, a diferencia del viento a escala de servicios públicos, tiene costos mucho más altos que otras fuentes de energía. [32] Al igual que la energía solar, la energía eólica es variable y no distribuible. Las torres eólicas y los generadores tienen importantes responsabilidades asegurables causadas por fuertes vientos, pero una buena seguridad operativa. La generación distribuida a partir de sistemas de energía eólica híbrida combina la energía eólica con otros sistemas DER. Un ejemplo de ello es la integración de turbinas eólicas en sistemas de energía solar híbrida , ya que la energía eólica tiende a complementar la energía solar porque las horas pico de funcionamiento de cada sistema ocurren en diferentes momentos del día y del año.
La hidroelectricidad es la forma de energía renovable más utilizada y su potencial ya ha sido explorado en gran medida o está comprometido debido a cuestiones como los impactos ambientales en la pesca y el aumento de la demanda de acceso recreativo. Sin embargo, el uso de tecnología moderna del siglo XXI, como la energía de las olas , puede generar grandes cantidades de nueva capacidad hidroeléctrica disponible, con un impacto ambiental menor.
Modulares y escalables Las turbinas de energía cinética de próxima generación se pueden implementar en conjuntos para satisfacer las necesidades a escala residencial, comercial, industrial, municipal o incluso regional. Los generadores microhidrocinéticos no requieren represas ni embalses, ya que utilizan la energía cinética del movimiento del agua, ya sea ondulatorio o en flujo. No se necesita construcción en la costa ni en el fondo del mar, lo que minimiza los impactos ambientales en los hábitats y simplifica el proceso de obtención de permisos. Esta generación de energía también tiene un impacto ambiental mínimo y las aplicaciones microhidráulicas no tradicionales pueden vincularse a construcciones existentes, como muelles, embarcaderos, estribos de puentes o estructuras similares. [33]
Los desechos sólidos municipales (RSU) y los desechos naturales, como lodos de depuradora, desechos de alimentos y estiércol animal, se descompondrán y descargarán gas que contiene metano que puede recolectarse y usarse como combustible en turbinas de gas o microturbinas para producir electricidad como recurso energético distribuido. . Además, una empresa con sede en California, Gate 5 Energy Partners, Inc. ha desarrollado un proceso que transforma materiales de desecho naturales, como lodos de depuradora, en biocombustible que puede quemarse para impulsar una turbina de vapor que produce energía. Esta energía se puede utilizar en lugar de la energía de la red en la fuente de desechos (como una planta de tratamiento, una granja o una lechería).
Un recurso de energía distribuida no se limita a la generación de electricidad sino que también puede incluir un dispositivo para almacenar energía distribuida (DE). [19] Las aplicaciones de los sistemas distribuidos de almacenamiento de energía (DESS) incluyen varios tipos de baterías, hidrobombeo , aire comprimido y almacenamiento de energía térmica . [34] : 42 El acceso al almacenamiento de energía para aplicaciones comerciales es fácilmente accesible a través de programas como el almacenamiento de energía como servicio (ESaaS).
Por razones de confiabilidad, los recursos de generación distribuida estarían interconectados a la misma red de transmisión que las estaciones centrales. Se producen varios problemas técnicos y económicos en la integración de estos recursos en una red. Surgen problemas técnicos en las áreas de calidad de la energía , estabilidad de voltaje, armónicos, confiabilidad, protección y control. [39] [40] Se debe examinar el comportamiento de los dispositivos de protección en la red para todas las combinaciones de generación distribuida y de estación central. [41] Un despliegue a gran escala de generación distribuida puede afectar funciones de toda la red, como el control de frecuencia y la asignación de reservas. [42] Como resultado, se añaden a la red funciones de redes inteligentes , plantas de energía virtuales [43] [44] [45] y almacenamiento de energía de la red , como la energía para las estaciones de servicio . Los conflictos ocurren entre las empresas de servicios públicos y las organizaciones de gestión de recursos. [46]
Cada recurso de generación distribuida tiene sus propios problemas de integración. Tanto la energía solar fotovoltaica como la eólica tienen una generación intermitente e impredecible, por lo que crean muchos problemas de estabilidad para el voltaje y la frecuencia. Estos problemas de voltaje afectan los equipos mecánicos de la red, como los cambiadores de tomas de carga, que responden con demasiada frecuencia y se desgastan mucho más rápido de lo que anticipaban las empresas de servicios públicos. [47] Además, sin ningún tipo de almacenamiento de energía durante las épocas de alta generación solar, las empresas deben aumentar rápidamente la generación alrededor del momento del atardecer para compensar la pérdida de generación solar. Esta alta tasa de rampa produce lo que la industria denomina la curva de pato , que será una de las principales preocupaciones para los operadores de la red en el futuro. [48] El almacenamiento puede solucionar estos problemas si se puede implementar. Se ha demostrado que los volantes proporcionan una excelente regulación de frecuencia. [49] Además, los volantes son altamente ciclables en comparación con las baterías, lo que significa que mantienen la misma energía y potencia después de una cantidad significativa de ciclos (del orden de 10,000 ciclos). [50] Las baterías de uso a corto plazo, en una escala de uso suficientemente grande, pueden ayudar a aplanar la curva de pato y prevenir la fluctuación en el uso del generador y pueden ayudar a mantener el perfil de voltaje. [51] Sin embargo, el costo es un factor limitante importante para el almacenamiento de energía, ya que cada técnica es prohibitivamente costosa de producir a escala y comparativamente no tiene mucha energía en comparación con los combustibles fósiles líquidos. Finalmente, otro método necesario para ayudar en la integración de la energía fotovoltaica para una adecuada generación distribuida es el uso de inversores híbridos inteligentes . Los inversores híbridos inteligentes almacenan energía cuando hay más producción que consumo. Cuando el consumo es elevado, estos inversores proporcionan energía aliviando el sistema de distribución. [52]
Otro enfoque no exige integración en la red: sistemas híbridos independientes.
Se han realizado algunos esfuerzos para mitigar los problemas de voltaje y frecuencia debido a una mayor implementación de DG. En particular, IEEE 1547 establece el estándar para la interconexión e interoperabilidad de recursos energéticos distribuidos. IEEE 1547 establece curvas específicas que indican cuándo eliminar una falla en función del tiempo después de la perturbación y la magnitud de la irregularidad de voltaje o de frecuencia. [53] Los problemas de voltaje también brindan a los equipos heredados la oportunidad de realizar nuevas operaciones. En particular, los inversores pueden regular la salida de voltaje de los DG. Cambiar las impedancias del inversor puede cambiar las fluctuaciones de voltaje de DG, lo que significa que los inversores tienen la capacidad de controlar la salida de voltaje de DG. [54] Para reducir el efecto de la integración de DG en los equipos mecánicos de la red, los transformadores y cambiadores de tomas de carga tienen el potencial de implementar curvas de operación de toma específicas versus operación de voltaje, mitigando el efecto de las irregularidades de voltaje debido a la DG. Es decir, los cambiadores de tomas en carga responden a fluctuaciones de voltaje que duran más tiempo que las fluctuaciones de voltaje creadas por los equipos DG. [55]
Ahora es posible combinar tecnologías como la fotovoltaica , las baterías y la cogeneración para crear sistemas independientes de generación distribuida. [56]
Trabajos recientes han demostrado que tales sistemas tienen un bajo costo nivelado de electricidad . [57]
Muchos autores ahora piensan que estas tecnologías pueden permitir una deserción masiva de la red porque los consumidores pueden producir electricidad utilizando sistemas fuera de la red compuestos principalmente de tecnología solar fotovoltaica . [58] [59] [60] Por ejemplo, el Rocky Mountain Institute ha propuesto que puede haber una deserción de la red a gran escala . [61] Esto está respaldado por estudios en el Medio Oeste. [62]
Los cogeneradores también son más caros por vatio que los generadores centrales. [ cita necesaria ] Encuentran aceptación porque la mayoría de los edificios ya queman combustibles y la cogeneración puede extraer más valor del combustible. La producción local no tiene pérdidas de transmisión de electricidad en líneas eléctricas de larga distancia ni pérdidas de energía por el efecto Joule en transformadores donde en general se pierde entre el 8 y el 15% de la energía [63] (ver también costo de la electricidad por fuente ).
Algunas instalaciones más grandes utilizan generación de ciclo combinado. Normalmente consiste en una turbina de gas cuyo escape hierve agua para una turbina de vapor en un ciclo Rankine . El condensador del ciclo de vapor proporciona calor para la calefacción de espacios o un enfriador por absorción . Las plantas de ciclo combinado con cogeneración tienen las eficiencias térmicas más altas conocidas, superando a menudo el 85%.
En países con distribución de gas a alta presión, se pueden utilizar pequeñas turbinas para llevar la presión del gas a niveles domésticos mientras se extrae energía útil. Si el Reino Unido implementara esto en todo el país, estarían disponibles entre 2 y 4 GWe adicionales. (Tenga en cuenta que la energía ya se está generando en otro lugar para proporcionar la alta presión inicial del gas; este método simplemente distribuye la energía a través de una ruta diferente).
Una microrred es una agrupación localizada de generación de electricidad, almacenamiento de energía y cargas que normalmente opera conectada a una red centralizada tradicional ( macrored ). Este único punto de acoplamiento común con la macrorred se puede desconectar. La microrred podrá entonces funcionar de forma autónoma. [64] La generación y las cargas en una microrred generalmente están interconectadas a bajo voltaje y pueden operar en CC, CA o la combinación de ambos. Desde el punto de vista del operador de la red, una microrred conectada se puede controlar como si fuera una sola entidad.
Los recursos de generación de microrredes pueden incluir baterías estacionarias, celdas de combustible, energía solar, eólica u otras fuentes de energía. Las múltiples fuentes de generación dispersas y la capacidad de aislar la microrred de una red más grande proporcionarían energía eléctrica altamente confiable. El calor producido a partir de fuentes de generación como las microturbinas podría utilizarse para calefacción de procesos locales o calefacción de espacios, permitiendo un equilibrio flexible entre las necesidades de calor y energía eléctrica.
Se propusieron microrredes tras el apagón de julio de 2012 en India : [65]
Las microrredes se han implementado en varias comunidades de todo el mundo. Por ejemplo, Tesla ha implementado una microrred solar en la isla samoana de Ta'u, alimentando toda la isla con energía solar. [66] Este sistema de producción localizado ha ayudado a ahorrar más de 380 metros cúbicos (100.000 gal EE.UU.) de combustible diésel. También es capaz de sustentar la isla durante tres días completos si el sol no brillara durante ese período. [67] Este es un gran ejemplo de cómo se pueden implementar sistemas de microrredes en las comunidades para fomentar el uso de recursos renovables y la producción localizada.
Para planificar e instalar microrredes correctamente, se necesita modelado de ingeniería. Existen múltiples herramientas de simulación y herramientas de optimización para modelar los efectos económicos y eléctricos de las microrredes. Una herramienta de optimización económica ampliamente utilizada es el Modelo de Adopción del Cliente de Recursos Energéticos Distribuidos (DER-CAM) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Otra herramienta de modelado económico comercial de uso frecuente es Homer Energy, diseñada originalmente por el Laboratorio Nacional de Renovaciones . También hay algunas herramientas de diseño eléctrico y flujo de energía que guían a los desarrolladores de microrredes. El Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico diseñó la herramienta GridLAB-D disponible públicamente y el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) diseñó OpenDSS para simular el sistema de distribución (para microrredes). Una versión profesional integrada de DER-CAM y OpenDSS está disponible a través de BankableEnergy Archivado el 11 de julio de 2018 en Wayback Machine . Una herramienta europea que se puede utilizar para la simulación de la demanda de calor de procesos, refrigeración, calefacción y electricidad es EnergyPLAN de la Universidad de Aalborg, Dinamarca .
En 2010, Colorado promulgó una ley que exige que para 2020 el 3% de la energía generada en Colorado utilice generación distribuida de algún tipo. [70] [71]
El 11 de octubre de 2017, el gobernador de California, Jerry Brown, promulgó un proyecto de ley, el SB 338, que obliga a las empresas de servicios públicos a planificar "alternativas libres de carbono a la generación de gas" para satisfacer la demanda máxima. La ley exige que las empresas de servicios públicos evalúen cuestiones como el almacenamiento de energía, la eficiencia y los recursos energéticos distribuidos. [72]
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