La generación distribuida , también energía distribuida , generación en el sitio ( OSG ), [1] o energía descentralizada/distrital , es la generación y el almacenamiento eléctrico realizado por una variedad de dispositivos pequeños conectados a la red o al sistema de distribución, denominados recursos de energía distribuida ( DER ). [2]
Las centrales eléctricas convencionales , como las que funcionan con carbón , gas y energía nuclear , así como las represas hidroeléctricas y las centrales solares a gran escala , están centralizadas y a menudo requieren que la energía eléctrica se transmita a grandes distancias. Por el contrario, los sistemas DER son tecnologías descentralizadas, modulares y más flexibles que se ubican cerca de la carga que sirven, aunque tienen capacidades de solo 10 megavatios (MW) o menos. Estos sistemas pueden comprender múltiples componentes de generación y almacenamiento; en este caso, se los conoce como sistemas de energía híbridos . [3]
Los sistemas DER suelen utilizar fuentes de energía renovables , incluidas las pequeñas centrales hidroeléctricas , la biomasa , el biogás , la energía solar , la energía eólica y la energía geotérmica , y desempeñan cada vez más un papel importante en el sistema de distribución de energía eléctrica . Un dispositivo conectado a la red para el almacenamiento de electricidad también puede clasificarse como un sistema DER y a menudo se lo denomina sistema de almacenamiento de energía distribuida ( DESS ). [4] Por medio de una interfaz, los sistemas DER se pueden gestionar y coordinar dentro de una red inteligente . La generación y el almacenamiento distribuidos permiten la recolección de energía de muchas fuentes y pueden reducir los impactos ambientales y mejorar la seguridad del suministro.
Uno de los principales problemas que plantea la integración de fuentes de energía renovables, como la solar, la 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 [5] , y (iii) puede provocar un flujo de energía inverso del sistema de distribución al sistema de transmisión [6] .
Las microrredes son redes modernas, localizadas y de pequeña escala, [7] [8] a diferencia de la red eléctrica centralizada tradicional (macrorred). Las microrredes pueden desconectarse de la red centralizada y operar de manera 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 son instaladas por la comunidad a la que sirven. Las microrredes emplean cada vez más una mezcla de diferentes recursos energéticos distribuidos, como sistemas de energía solar híbrida , que reducen significativamente la cantidad de carbono emitido.
Históricamente, las centrales eléctricas han sido parte integral de la red eléctrica, en la que las grandes instalaciones generadoras se ubican específicamente cerca de los recursos o lejos de los centros de carga poblados . Estas, a su vez, abastecen la red tradicional de transmisión y distribución (T&D) que distribuye energía a granel a los centros de carga y de allí a los consumidores. Estas se desarrollaron cuando los costos de transportar combustible e integrar tecnologías de generación en áreas pobladas excedían por mucho el costo de desarrollar instalaciones de T&D y tarifas. Las centrales eléctricas suelen estar diseñadas para aprovechar las economías de escala disponibles de una 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 posiblemente ya no podían entregar electricidad confiable y barata a clientes más remotos a través de la red, porque las plantas habían llegado a costar menos que la red y se habían vuelto tan confiables que casi todas las fallas de energía se originaban en la red. [ cita requerida ] 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. [9] [10] 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. [11] [12]
Por ejemplo, las centrales eléctricas de carbón se construyen lejos de las ciudades para evitar que la fuerte contaminación atmosférica que producen 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, están limitadas 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 urbanas .
Los recursos energéticos distribuidos se producen en masa, son pequeños y no están tan específicos de un lugar. Su desarrollo surgió de:
Los mercados de capitales se han dado cuenta de que los recursos de tamaño adecuado, para clientes individuales, subestaciones de distribución o microrredes, pueden ofrecer ventajas económicas importantes, aunque poco conocidas, sobre las plantas centrales. Las unidades más pequeñas lograron mayores beneficios económicos a través de la producción en masa que las unidades más grandes que obtuvieron solo por su tamaño. El mayor valor de estos recursos, resultante de las mejoras en el riesgo financiero, la flexibilidad de ingeniería, la seguridad y la calidad ambiental, a menudo supera sus aparentes desventajas en términos de costos. [13] La generación distribuida (GD), en comparación con las plantas centrales, debe justificarse sobre la base del ciclo de vida. [14] Lamentablemente, muchos de los beneficios directos, y prácticamente todos los indirectos, de la GD no se reflejan en la contabilidad tradicional del flujo de caja de las empresas de servicios públicos . [9]
Si bien el costo nivelado de la generación distribuida suele ser más caro que el de las fuentes convencionales centralizadas en términos de kilovatios por hora, esto no tiene en cuenta los aspectos negativos de los combustibles convencionales. La prima adicional para la generación distribuida está disminuyendo rápidamente a medida que aumenta la demanda y avanza la tecnología [15] [16] , y una demanda suficiente y confiable puede generar economías de escala, innovación, competencia y financiamiento más flexible, que podrían hacer que la energía limpia generada por generación distribuida sea parte de un futuro más diversificado. [ cita requerida ]
La generación distribuida reduce la cantidad de energía que se pierde en la transmisión de electricidad, ya que la electricidad se genera muy cerca de donde se utiliza, quizás 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 un bajo 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 operación automatizada y energía renovable , como solar , eólica y geotérmica . Esto reduce el tamaño de la planta de energía que puede generar ganancias.
La paridad de red se produce cuando una fuente de energía alternativa puede generar electricidad a un costo nivelado ( LCOE ) que es menor o igual al precio minorista para el consumidor final. Alcanzar la paridad de red se considera el punto en el que una fuente de energía se convierte en un candidato para un desarrollo generalizado sin subsidios ni apoyo gubernamental. Desde la década de 2010, la paridad de red para la 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 los EE. UU. [17] [ necesita actualización ]
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) [18] que se utilizan para proporcionar una alternativa o una mejora del sistema de energía eléctrica tradicional. Los sistemas DER suelen caracterizarse por unos elevados costes de capital iniciales por kilovatio. [19] Los sistemas DER también sirven como dispositivo de almacenamiento y suelen denominarse sistemas de almacenamiento de energía distribuida (DESS). [20]
Los sistemas DER pueden incluir los siguientes dispositivos/tecnologías:
Las fuentes de cogeneración distribuida utilizan turbinas de vapor, celdas de combustible alimentadas con gas natural , microturbinas o motores alternativos [23] para hacer girar los generadores. El escape caliente se utiliza luego para calentar el espacio o el agua , o para accionar un enfriador de absorción [24] [25] para enfriar, por ejemplo, el aire acondicionado . Además de los esquemas basados en gas natural, los proyectos de energía distribuida también pueden incluir otros combustibles renovables o con bajas emisiones de carbono, incluidos los biocombustibles, el biogás , el gas de vertedero , el gas de depuradora , el metano de lechos de carbón , el gas de síntesis y el gas de petróleo asociado . [26]
Los consultores de Delta-ee afirmaron en 2013 que, con un 64% de las ventas mundiales, la microcombinación de calor y energía con pilas de combustible superó a los sistemas convencionales en ventas en 2012. [27] En Japón se vendieron 20.000 unidades en 2012 en el marco del proyecto Ene Farm. Con una vida útil de alrededor de 60.000 horas para las unidades de pilas de combustible PEM , que se apagan por la noche, esto equivale a una vida útil estimada de entre diez y quince años. [28] Por un precio de 22.600 dólares antes de la instalación. [29] Para 2013, se ha establecido un subsidio estatal para 50.000 unidades. [28]
Además, se utilizan como recurso energético distribuido pilas de combustible de carbonato fundido y 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 , 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 edificios integrados hasta grandes centrales eléctricas 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. [30] En los últimos años, la tecnología fotovoltaica ha mejorado su eficiencia de conversión de luz solar a electricidad , ha reducido el costo de instalación por vatio , así como su tiempo de recuperación de energía (EPBT) y el costo nivelado de la electricidad (LCOE), y ha alcanzado la paridad de red en al menos 19 mercados diferentes en 2014. [31]
Como la mayoría de las fuentes de energía renovables y a diferencia del carbón y la energía nuclear, la energía solar fotovoltaica es variable y no se puede gestionar , pero no tiene costos de combustible ni contaminación operativa, y además reduce enormemente los problemas de seguridad en la minería y en la operación. Produce energía máxima alrededor del mediodía local cada día y su factor de capacidad es de alrededor del 20 por ciento. [32]
Las turbinas eólicas pueden ser recursos energéticos distribuidos o pueden construirse a escala de servicios públicos. Estas tienen un bajo mantenimiento y baja contaminación, pero la energía eólica distribuida, a diferencia de la eólica a escala de servicios públicos, tiene costos mucho más altos que otras fuentes de energía. [33] Al igual que con la solar, la energía eólica es variable y no despachable. Las torres eólicas y los generadores tienen importantes responsabilidades asegurables causadas por vientos fuertes, pero buena seguridad operativa. La generación distribuida a partir de sistemas de energía híbrida eólica combina la energía eólica con otros sistemas DER. Un ejemplo de ello es la integración de turbinas eólicas en sistemas de energía híbrida solar , ya que la energía eólica tiende a complementar la solar porque los tiempos de funcionamiento pico 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 se ha explorado en gran medida o se ve comprometido debido a cuestiones como los impactos ambientales en la pesca y la mayor 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, con un impacto ambiental mínimo.
Las turbinas de energía cinética de próxima generación, modulares y escalables, se pueden implementar en conjuntos para satisfacer las necesidades a escala residencial, comercial, industrial, municipal o incluso regional. Los generadores cinéticos microhidroeléctricos no requieren represas ni embalses, ya que utilizan la energía cinética del movimiento del agua, ya sea de las olas o del flujo. No se necesita construcción en la costa o el lecho marino, lo que minimiza los impactos ambientales en los hábitats y simplifica el proceso de permisos. Este tipo de generación de energía también tiene un impacto ambiental mínimo y las aplicaciones microhidroeléctricas no tradicionales se pueden vincular a la construcción existente, como muelles, embarcaderos, estribos de puentes o estructuras similares. [34]
Los residuos sólidos urbanos (RSU) y los desechos naturales, como los lodos de depuradora, los residuos de alimentos y el estiércol animal, se descomponen y liberan gas que contiene metano, que se puede recolectar y utilizar como combustible en turbinas de gas o microturbinas para producir electricidad como un recurso energético distribuido. Además, una empresa con sede en California, Gate 5 Energy Partners, Inc., ha desarrollado un proceso que transforma los materiales de desecho naturales, como los lodos de depuradora, en biocombustible que se puede quemar para alimentar una turbina de vapor que produce energía. Esta energía se puede utilizar en lugar de la energía de la red en la fuente de los residuos (como una planta de tratamiento, una granja o una lechería).
Un recurso energético distribuido no se limita a la generación de electricidad, sino que también puede incluir un dispositivo para almacenar energía distribuida (DE). [20] Las aplicaciones de los sistemas de almacenamiento de energía distribuida (DESS) incluyen varios tipos de baterías, energía hidroeléctrica bombeada , aire comprimido y almacenamiento de energía térmica . [35] : 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 se interconectarían a la misma red de transmisión que las estaciones centrales. En la integración de estos recursos en una red surgen varios problemas técnicos y económicos. Surgen problemas técnicos en las áreas de calidad de la energía , estabilidad de voltaje, armónicos, confiabilidad, protección y control. [40] [41] El comportamiento de los dispositivos de protección en la red debe examinarse para todas las combinaciones de generación distribuida y de estación central. [42] 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. [43] Como resultado, se agregan a la red funciones de red inteligente , plantas de energía virtuales [44] [45] [46] y almacenamiento de energía de la red , como energía para estaciones de servicio. Se producen conflictos entre las empresas de servicios públicos y las organizaciones de gestión de recursos. [47]
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 al equipo mecánico de la red, como los cambiadores de tomas de carga, que responden con demasiada frecuencia y se desgastan mucho más rápido de lo que anticiparon las empresas de servicios públicos. [48] Además, sin ninguna forma de almacenamiento de energía durante los períodos de alta generación solar, las empresas deben aumentar rápidamente la generación alrededor del momento de la puesta del sol para compensar la pérdida de generación solar. Esta alta tasa de rampa produce lo que la industria denomina la curva de pato que es una preocupación importante para los operadores de la red en el futuro. [49] El almacenamiento puede solucionar estos problemas si se puede implementar. Los volantes de inercia han demostrado proporcionar una excelente regulación de frecuencia. [50] Además, los volantes de inercia 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). [51] Las baterías de uso a corto plazo, en una escala de uso lo suficientemente grande, pueden ayudar a aplanar la curva de pato y evitar la fluctuación del uso del generador y pueden ayudar a mantener el perfil de voltaje. [52] Sin embargo, el costo es un factor limitante importante para el almacenamiento de energía, ya que cada técnica es prohibitivamente costosa de producir a gran escala y, comparativamente, no es densa en energía en comparación con los combustibles fósiles líquidos. Finalmente, otro método para ayudar a la integración es el uso de inversores inteligentes que tienen la capacidad de almacenar también la energía cuando hay más producción de energía que consumo. [53]
Se han hecho algunos esfuerzos para mitigar los problemas de voltaje y frecuencia debido a la mayor implementación de la DG. En particular, la IEEE 1547 establece el estándar para la interconexión e interoperabilidad de los recursos de energía distribuida. La 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 frecuencia. [54] Los problemas de voltaje también le dan a los equipos heredados la oportunidad de realizar nuevas operaciones. En particular, los inversores pueden regular la salida de voltaje de las DG. Cambiar las impedancias de los inversores puede cambiar las fluctuaciones de voltaje de la DG, lo que significa que los inversores tienen la capacidad de controlar la salida de voltaje de la DG. [55] Para reducir el efecto de la integración de la DG en el equipo mecánico de la red, los transformadores y los cambiadores de tomas de carga tienen el potencial de implementar curvas específicas de operación de tomas frente a operación de voltaje que mitiguen el efecto de las irregularidades de voltaje debido a la DG. Es decir, los cambiadores de tomas de carga responden a fluctuaciones de voltaje que duran un período más largo que las fluctuaciones de voltaje creadas por el equipo de DG. [56]
Hoy en día es posible combinar tecnologías como la fotovoltaica , las baterías y la cogeneración para crear sistemas de generación distribuida autónomos. [57]
Trabajos recientes han demostrado que dichos sistemas tienen un bajo coste nivelado de electricidad . [58]
Muchos autores piensan ahora que estas tecnologías pueden permitir una deserción de la red a gran escala porque los consumidores pueden producir electricidad utilizando sistemas fuera de la red compuestos principalmente por tecnología solar fotovoltaica . [59] [60] [61] Por ejemplo, el Rocky Mountain Institute ha propuesto que puede haber una deserción de la red a gran escala . [62] Esto está respaldado por estudios en el Medio Oeste. [63]
Los cogeneradores son populares 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 [64] (véase también el coste de la electricidad por fuente ). Algunas instalaciones más grandes utilizan generación de ciclo combinado. Por lo general, esto 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 el calor para la calefacción de espacios o un enfriador de absorción . Las plantas de ciclo combinado con cogeneración tienen las eficiencias térmicas más altas conocidas, a menudo superiores al 85%. [ cita requerida ] 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 2-4 GWe adicionales. (Tenga en cuenta que la energía ya se está generando en otro lugar para proporcionar la alta presión de gas inicial; 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 ( macrorred ). Este único punto de acoplamiento común con la macrorred se puede desconectar. La microrred puede entonces funcionar de forma autónoma. [65] La generación y las cargas en una microrred suelen estar interconectadas a bajo voltaje y puede operar en CC, CA o la combinación de ambas. Desde el punto de vista del operador de la red, una microrred conectada se puede controlar como si fuera una entidad.
Los recursos de generación de energía de las 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 usarse para calefacción de procesos locales o calefacción de espacios, lo que permite un equilibrio flexible entre las necesidades de calor y energía eléctrica.
Las microrredes se propusieron a raíz del apagón de julio de 2012 en la India : [66]
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, que alimenta toda la isla con energía solar. [67] Este sistema de producción localizada ha ayudado a ahorrar más de 380 metros cúbicos (100.000 galones estadounidenses) de combustible diésel. También es capaz de abastecer a la isla durante tres días enteros si el sol no brillara en absoluto durante ese período. [68] 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 un modelo de ingeniería. Existen múltiples herramientas de simulación y optimización para modelar los efectos económicos y eléctricos de las microrredes. Una herramienta de optimización económica ampliamente utilizada es el Modelo de adopción de clientes de recursos energéticos distribuidos (DER-CAM) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Otra herramienta de modelado económico comercial utilizada con frecuencia es Homer Energy, diseñada originalmente por el Laboratorio Nacional de Renovables . También existen algunas herramientas de diseño eléctrico y de flujo de energía que guían a los desarrolladores de microrredes. El Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste diseñó la herramienta GridLAB-D disponible al público 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 eléctrica, de refrigeración, calefacción y calor de proceso 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 algún tipo de generación distribuida. [71] [72]
El 11 de octubre de 2017, el gobernador de California, Jerry Brown, promulgó una ley, la 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. [73]
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