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 la energía híbrida son la energía fotovoltaica , las turbinas eólicas y varios tipos de motores-generadores , por ejemplo, grupos electrógenos diésel. [2]
Las centrales eléctricas híbridas suelen contener un componente de energía renovable (como la 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 en batería. También pueden proporcionar otras formas de energía, como calor, para algunas aplicaciones. [3] [4]
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 mediante la combinación de métodos de generación y, a menudo, incorporan un sistema de almacenamiento (batería, pila de combustible ) o un pequeño generador alimentado con combustibles fósiles para garantizar la máxima fiabilidad y seguridad del suministro. [5]
Los sistemas híbridos de energía renovable se están volviendo populares como sistemas de energía independientes para suministrar electricidad en áreas remotas debido a los avances en las tecnologías de energía renovable y el posterior aumento de los precios de los productos derivados del petróleo . Un sistema de energía híbrido, o energía híbrida, generalmente consta de dos o más fuentes de energía renovables utilizadas juntas para proporcionar una mayor eficiencia del sistema, así como un mayor equilibrio en el suministro de energía. [4]
La energía solar flotante generalmente se agrega a la hidroeléctrica existente en lugar de construir ambas juntas.
Otro ejemplo de sistema de energía híbrido es un conjunto fotovoltaico acoplado a una turbina eólica . [6] Esto crearía más producción de la turbina eólica durante el invierno, mientras que durante el verano, los paneles solares producirían su producción máxima. Los sistemas de energía híbridos a menudo producen mayores beneficios económicos y ambientales que los sistemas autónomos eólicos, solares, geotérmicos o de trigeneración por sí solos. [7]
El uso combinado de sistemas eólicos y solares da como resultado, en muchos lugares, una producción de energía más suave, ya que los recursos están anticorrelacionados. Por lo tanto, el uso combinado de sistemas eólicos y solares es crucial para una integración en la red a gran escala. [8]
En 2019, en el oeste de Minnesota , se instaló un sistema híbrido de 5 millones de dólares. Utiliza 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 a la distribuidora local a un máximo del 5% de autogeneración. [9] [10]
La Pearl River Tower 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 necesaria ]
En varias partes de China e India, hay torres de iluminación con combinaciones de paneles solares y turbinas eólicas en su parte superior. Esto permite que el espacio ya utilizado para la iluminación se utilice de manera más eficiente con dos unidades de producción de energía complementarias. Los modelos más comunes utilizan aerogeneradores de eje horizontal, pero ahora están apareciendo modelos con aerogeneradores de eje vertical, utilizando un sistema Savonius retorcido y con forma helicoidal. [ cita necesaria ]
Se probaron paneles solares en las turbinas eólicas ya existentes, pero produjeron rayos de luz cegadores que representaban 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 que sean capaces de absorber la luz solar desde cualquier ángulo. [11]
Otros híbridos solares incluyen sistemas eólicos solares. La combinación de energía eólica y solar tiene la ventaja de que las dos fuentes se complementan porque los momentos pico de funcionamiento 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 cada uno de los dos subsistemas que lo componen. [12]
Un sistema eólico-hidráulico genera energía eléctrica combinando turbinas eólicas y almacenamiento por bombeo . La combinación ha sido objeto de discusión a largo plazo, y Nova Scotia Power implementó una planta experimental, que también probó turbinas eólicas, en su sitio de energía hidroeléctrica de Wreck Cove a fines de la década de 1970, pero fue desmantelada al cabo de diez años. Desde entonces, hasta finales de 2010 no se ha implementado ningún otro sistema en un solo lugar. [13]
Las centrales eólicas-hidráulicas dedican la totalidad o una parte importante de sus recursos de energía eólica a bombear agua a depósitos de almacenamiento por bombeo. Estos embalses 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 a gran altura (el principio detrás del almacenamiento por bombeo), la energía potencial del agua es relativamente estable y puede usarse para generar energía eléctrica liberándola en una planta hidroeléctrica cuando sea necesario. . [14] La combinación se ha descrito como especialmente adecuada para islas que no están conectadas a redes más grandes. [13]
Durante la década de 1980, se propuso una instalación en los Países Bajos. [15] El IJsselmeer se utilizaría como embalse, con turbinas eólicas ubicadas en su dique. [16] 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 ). [17] [18]
Una instalación en la isla de Ikaria , Grecia, había entrado en fase de construcción en 2010. [13]
En la isla de El Hierro se espera que se construya la primera central eólica-hidráulica del mundo. [19] Current TV llamó a esto "un plan para un futuro sostenible en el planeta Tierra". Fue diseñado para cubrir entre el 80% y el 100% de la energía de la isla y debía estar operativo en 2012. [20] Sin embargo, estas expectativas no se cumplieron en la práctica, probablemente debido al volumen inadecuado del embalse y a problemas persistentes con la estabilidad de la red. [21]
Los sistemas de energía 100% renovables requieren un exceso de capacidad de energía eólica o solar. [22]
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. Las plantas solares térmicas con almacenamiento térmico son una generación de energía limpia y sostenible para suministrar electricidad las 24 horas del día. [23] [24] Pueden satisfacer perfectamente la demanda de carga y funcionar como plantas de energía de carga base cuando la energía solar extraída excede en un día. [25] Una combinación adecuada de energía solar térmica (tipo de almacenamiento térmico) y energía solar fotovoltaica puede igualar completamente las fluctuaciones de carga sin la necesidad de un costoso almacenamiento en baterías. [26] [27]
Durante el día, el consumo de energía auxiliar adicional de una planta de energía solar térmica de almacenamiento es casi el 10% de su capacidad nominal para el proceso de extracción de energía solar en forma de energía térmica. [25] Este requisito de energía auxiliar puede estar disponible a partir de una planta solar fotovoltaica más barata, previendo una planta solar híbrida con una combinación de plantas solares térmicas y solares fotovoltaicas en un sitio. Además, para optimizar el costo de la energía, la generación puede provenir de la planta solar fotovoltaica más barata (33% de generación) durante el día, mientras que el resto del tiempo del día proviene de la planta de almacenamiento termosolar (67% de generación a partir de una torre de energía solar). y cilindroparabólicos ) para cumplir con una operación de carga base de 24 horas. [28] Cuando la planta de almacenamiento solar térmica se ve obligada a dejar de funcionar debido a la falta de luz solar localmente durante los días nublados en la temporada de monzones, también es posible consumir (similar a un sistema de almacenamiento de batería menos eficiente, de gran capacidad y de bajo costo) el excedente barato. / debilitar la energía de las plantas de energía solar fotovoltaica, eólica e hidroeléctrica al calentar la sal fundida caliente a una temperatura más alta para convertir la energía térmica almacenada en electricidad durante las horas pico de demanda cuando el precio de venta de la electricidad es rentable. [29] [30]
La energía solar fotovoltaica ofrece una salida variable que puede amortiguarse con almacenamiento de batería. Sin embargo, existen grandes variaciones en la producción a lo largo del día, así como en muchos lugares según las estaciones. La batería ayuda a combinar la potencia con la carga. Un inversor solar híbrido permite además almacenar electricidad a bajo coste utilizando tarifas económicas. [31]
Un método de almacenamiento de 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 contenida en el hidrógeno almacenado se puede convertir en energía eléctrica mediante tecnología de pilas de combustible o un motor de combustión conectado a un generador eléctrico .
El almacenamiento exitoso de hidrógeno plantea 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 hubo una oferta pública inicial de una empresa australiana llamada Wind Hydrogen que tenía como objetivo comercializar esta tecnología tanto en Australia como en el Reino Unido. [32] En 2008, la empresa cambió su nombre y centró sus operaciones en la exploración de combustibles fósiles. [33]
En 2007, los sitios de prueba de tecnología incluyeron:
Un sistema de energía híbrido eólico-diésel combina generadores diésel y turbinas eólicas, [43] generalmente junto con equipos auxiliares como almacenamiento de energía, convertidores de potencia y diversos 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 e instalaciones remotas que no están conectadas a una red eléctrica . [43] Los sistemas híbridos eólicos y diésel reducen la dependencia del combustible diésel, que genera contaminación y es costoso de transportar. [43]
Se han estado desarrollando y probando sistemas de generación eólica a diésel en varios lugares durante la última parte del siglo XX. Se ha desarrollado un número creciente de sitios viables con mayor confiabilidad y costos de soporte técnico minimizados en comunidades remotas. [ cita necesaria ]
La integración exitosa de la energía eólica con los grupos electrógenos diésel se basa en controles complejos para garantizar el reparto correcto de la energía eólica intermitente y la generación diésel controlable para satisfacer la demanda de la carga normalmente variable. La medida común de rendimiento de los sistemas eólicos diésel es la penetración del viento, que es la relación entre la energía eólica y la potencia total entregada; por ejemplo, una penetración del 60% del viento implica que el 60% de la energía del sistema proviene del viento. Las cifras de penetración del viento pueden ser pico o largo plazo. Sitios como la Estación Mawson , en la Antártida, así como Coral Bay y Bremer Bay en Australia, tienen penetraciones máximas del viento de alrededor del 90%. Las soluciones técnicas a la variación de la producción eólica 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 (por ejemplo, Powercorp, Coral Bay) . Algunas instalaciones ahora se están convirtiendo a sistemas eólicos de hidrógeno, como en Ramea en Canadá, cuya finalización está prevista para 2010. [ cita necesaria ]
Recientemente, [ ¿cuándo? ] en el norte de Canadá, la industria minera construyó sistemas de energía híbrida eólica y diésel. En lugares remotos de Lac de Gras, en los Territorios del Noroeste de Canadá, y Katinniq, península de Ungava, Nunavik, se utilizan dos sistemas para ahorrar combustible en las minas. Hay otro sistema en Argentina. [44]
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 al capturar el exceso de energía, con electrólisis , cuando producen demasiado y llenar los vacíos con esa energía cuando no están produciendo tanto. [45]
En las centrales eléctricas que utilizan almacenamiento de energía por aire comprimido (CAES), se utiliza energía eléctrica para comprimir aire y almacenarlo en instalaciones subterráneas como cavernas o minas abandonadas. Durante períodos posteriores de alta demanda eléctrica, el aire se libera para impulsar turbinas, generalmente utilizando gas natural suplementario . [46] Las centrales eléctricas que hacen un uso significativo de CAES están operativas en McIntosh, Alabama , Alemania y Japón. [47] Las desventajas del sistema incluyen algunas pérdidas de energía en el proceso CAES; Además, la necesidad de un uso suplementario de combustibles fósiles como el gas natural significa que estos sistemas no utilizan completamente energía renovable. [48]
El Iowa Stored Energy Park , cuyo inicio de operación comercial está previsto para 2015, utilizará parques eólicos en Iowa como fuente de energía en conjunto con CAES. [49]
También es posible combinar energía solar y geotérmica. [50]
Un tipo común es un sistema híbrido diésel fotovoltaico, [51] [52] que combina energía fotovoltaica (PV) y generadores diésel , o grupos electrógenos diésel, ya que la energía fotovoltaica apenas tiene coste marginal 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 potencia generada real por el sistema fotovoltaico. [53]
Como la energía solar fluctúa y la capacidad de generación de los conjuntos genéticos diésel está limitada a un cierto rango, a menudo es una opción viable incluir almacenamiento en baterías para optimizar la contribución de la energía solar a la generación general del sistema híbrido. [53] [54]
Los mejores casos de negocio para la reducción de 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. [55] Muchas de estas aplicaciones se pueden encontrar en el sector minero [56] y en islas [53] [57] [58]
En 2015, un estudio de caso realizado en siete países concluyó que en todos los casos los costos de generación pueden reducirse mediante la hibridación de minirredes y redes aisladas. Sin embargo, los costes de financiación de las redes eléctricas alimentadas por diésel con energía solar fotovoltaica son cruciales y dependen en gran medida de la estructura de propiedad de la central eléctrica. 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. [59] [60]
Quizás sea posible agregar energía de las olas a la energía eólica y solar. [61]
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