Energía renovable variable

Clase de fuentes de energía renovables.

La central solar Andasol de 150 MW es una central termosolar comercial de cilindro-parabólico , en España . La planta de Andasol utiliza tanques de sales fundidas para almacenar energía solar y poder seguir generando electricidad incluso después del atardecer. ^[1]

Las redes con una alta penetración de fuentes de energía renovables generalmente necesitan una generación más flexible en lugar de una generación de carga base ^[2]

La energía renovable variable ( ERV ) o las fuentes de energía renovables intermitentes (IRES) son fuentes de energía renovables que no son distribuibles debido a su naturaleza fluctuante, como la energía eólica y la energía solar , a diferencia de las fuentes de energía renovables controlables, como la hidroelectricidad represada o la biomasa. , 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 actualizaciones o incluso un rediseño de la infraestructura de la red. ^{[3] [4]}

Las opciones para absorber grandes proporciones de energía variable en la red incluyen el uso de almacenamiento , una mejor interconexión entre diferentes fuentes variables para suavizar el suministro, el uso de fuentes de energía gestionables como la hidroelectricidad y tener un exceso de capacidad, de modo que se produzca suficiente energía incluso cuando el clima sea menos favorable. También podrían ayudar 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 mundial de electricidad en 2021 fue un 7% eólica y un 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] Estos, junto con el hecho de que las energías renovables suelen ser generadores asíncronos , representan un desafío para los operadores de redes , quienes deben asegurarse de que la oferta y la demanda coincidan. Las soluciones incluyen almacenamiento de energía , respuesta a la demanda , disponibilidad de exceso de capacidad y acoplamiento sectorial . ^[8] Las redes aisladas más pequeñas pueden ser menos tolerantes a altos niveles de penetración. ^{[3] [9]}

Hacer coincidir la demanda de energía con el suministro no es un problema específico de las fuentes de energía intermitentes. Las redes eléctricas existentes ya contienen elementos de incertidumbre, incluidos 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 superior a 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]

Varios términos clave son útiles para comprender el problema de las fuentes de energía intermitentes. Estos términos no están estandarizados y se pueden utilizar 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. Esto tiene dos aspectos: una variabilidad predecible (como el ciclo día-noche) y una parte impredecible (predicción meteorológica local imperfecta). ^[11] El término intermitente puede usarse para referirse a la parte impredecible, y luego variable se refiere a la parte predecible. ^[12]
• La capacidad de despacho es la capacidad de una fuente de energía determinada para aumentar y disminuir la producción rápidamente según la demanda. El concepto es distinto de intermitencia; La capacidad de despacho es una de las varias formas en que los operadores del sistema hacen coincidir el suministro (producción del generador) con 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. Para las fuentes de energía intermitente , como la eólica y la solar, la energía nominal es la producción de la fuente en condiciones ideales, como el viento máximo utilizable o el sol alto en un día despejado de verano.
• El factor de capacidad , el factor de capacidad promedio o el 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 que produjo 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.
• "El proveedor garantiza que la capacidad firme o la potencia firme estarán disponibles en todo momento durante un período cubierto por un compromiso". ^[15]
• Crédito de capacidad : la cantidad de energía de generación convencional (despachable) que potencialmente se puede eliminar del sistema manteniendo la confiabilidad, generalmente expresada como un porcentaje de la potencia nominal. ^{[16] [ se necesita ejemplo ] [ se necesita aclaración ]}
• La previsibilidad o previsibilidad 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 predecible porque la órbita de la luna se puede predecir con exactitud y los pronósticos meteorológicos mejorados pueden hacer que la energía eólica sea más predecible. ^[18]

Fuentes

La hidroelectricidad, la biomasa y la geotermia represadas son distribuibles ya que cada una tiene un almacén de energía potencial; La energía eólica y solar sin almacenamiento se puede reducir (reducir), pero no se puede distribuir.

Energía eólica

Predicción del día siguiente y energía eólica real

Los operadores de la red utilizan el pronóstico del día anterior para determinar cuál de las fuentes de energía disponibles utilizarán el día siguiente, y el pronóstico del tiempo se utiliza para predecir la probable producción de energía eólica y solar disponible. Aunque las previsiones de energía eólica se utilizan operativamente desde hace décadas, desde 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 generada por el viento 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 la turbina (entre otros factores). Si la velocidad del viento es demasiado baja, las turbinas eólicas no podrán producir electricidad, y si es demasiado alta, las turbinas tendrán que apagarse para evitar daños. Si bien la producción de una sola turbina puede variar mucho y rápidamente a medida que varían las velocidades del viento local, 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 (menos de unos 1000 km de largo, el tamaño de un país promedio) tienen prácticamente el mismo clima y, por lo tanto, aproximadamente 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 rara vez dejarán de producir energía por completo. ^{[20] [21]} Sin embargo, este rara vez es el caso en áreas más pequeñas con 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 suele tener 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 en sí misma distribuible, los parques eólicos a veces se construyen con almacenamiento. ^{[28] [29]}
• Crédito de capacidad: en niveles bajos de penetración, el crédito de capacidad de la energía eólica es aproximadamente el mismo que el 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] La brisa marina es mucho más constante que la brisa terrestre. ^[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 sólo variará gradualmente debido a la caída de la velocidad del viento o a las tormentas (estas últimas requieren cierres). Es poco probable que un parque eólico típico tenga que cerrar en menos de media hora como máximo, mientras que una central eléctrica de tamaño equivalente puede fallar de forma totalmente instantánea y sin previo aviso. La parada total de los aerogeneradores se puede predecir mediante la previsión meteorológica. La disponibilidad media de un aerogenerador es del 98%, y cuando un aerogenerador falla o se para por mantenimiento sólo 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 posibilidades de que la producción eólica cambie menos del 10% en una hora y un 40% de posibilidades de que cambie un 10% o más en 5 horas. ^[35]

Debido a que la energía eólica es generada por un gran número de pequeños generadores, las fallas individuales no tienen grandes impactos en las redes eléctricas. Esta característica del viento se ha denominado resiliencia. ^[36]

Energía solar

Producción solar diaria en AT&T Park en San Francisco

Variación estacional de la producción 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 determinado. La producción solar varía a lo largo del día y de las estaciones, y se ve afectada por el polvo, la niebla, las nubes, 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: Al no existir un sistema de almacenamiento de energía , la energía solar no produce energía por la noche, poca con mal tiempo y varía entre estaciones. En muchos países, la energía solar produce la mayor parte de la energía en temporadas con poca disponibilidad de viento y viceversa. ^[38]
• Factor de capacidad La energía solar fotovoltaica estándar tiene un factor de capacidad promedio anual del 10 al 20 %, ^[39] pero los paneles que se mueven y siguen al sol tienen un factor de capacidad de hasta el 30 %. ^[40] Solar térmica cilindro-parabólica con almacenamiento 56%. ^[41] Torre de energía solar térmica con almacenamiento 73%. ^[41]

Plato Stirling

El impacto de la intermitencia de la electricidad generada con energía solar dependerá de la correlación de la generación con la demanda. Por ejemplo, las plantas de energía termosolar como Nevada Solar One se adaptan en cierta medida a las cargas máximas de verano en áreas con importantes demandas de refrigeración, como el suroeste de Estados Unidos. Los sistemas de almacenamiento de energía térmica como la pequeña planta termosolar española Gemasolar pueden mejorar la correspondencia entre el suministro solar y el consumo local. El factor de capacidad mejorado utilizando almacenamiento térmico representa una disminución en la capacidad máxima y extiende el tiempo total que el sistema genera energía. ^{[42] [43] [44]}

Hidroelectricidad de pasada

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

energía mareomotriz

Tipos de marea

La energía mareomotriz es la más predecible de todas las fuentes de energía renovables variables. Las mareas se revierten dos veces al día, pero nunca son intermitentes, al contrario son completamente confiables. Hasta ahora sólo se han identificado 20 sitios en el mundo como posibles centrales de energía mareomotriz. ^[46]

Energía ondulatoria

Las olas son creadas principalmente por el viento, por lo que la energía disponible de las olas tiende a seguir la disponible del viento, pero debido a la masa del agua es menos variable que la energía eólica. La energía 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 las olas. ^{[47] [48] [49]}

Soluciones para su integración

La generación despachable desplazada podría ser carbón, gas natural, biomasa, nuclear, geotérmica o hidráulica de almacenamiento. ^{[ cita necesaria ] [ aclaración necesaria ]} En lugar de iniciar y detener la energía nuclear o geotérmica, es más barato utilizarlas como energía de carga base constante . Cualquier energía generada por encima de la demanda puede desplazar los combustibles para calefacción, convertirse en almacenamiento o venderse a otra red. Los biocombustibles y la energía hidroeléctrica convencional se pueden guardar para más adelante, cuando los intermitentes no generen energía. Algunos pronostican que la energía renovable “casi firme” (baterías con energía solar y/o eólica) será más barata que la energía nuclear existente a fines de la década de 2020: por lo tanto, dicen que la energía de carga base no será necesaria. ^[50] Las alternativas a la quema de carbón y gas natural que producen menos gases de efecto invernadero pueden eventualmente convertir a los combustibles fósiles en un activo varado que queda bajo tierra. Las redes altamente integradas favorecen la flexibilidad y el rendimiento sobre el costo, lo que resulta en más plantas que operan durante menos horas y menores factores de capacidad . ^[51]

Todas las fuentes de energía eléctrica tienen algún grado de variabilidad, al igual que los patrones de demanda que habitualmente provocan grandes variaciones en la cantidad de electricidad que los proveedores inyectan a la red. Siempre que sea 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 puede cumplirse mediante el uso de infraestructura y tecnología de respaldo o adicionales , utilizando energías renovables mixtas para producir electricidad por encima del promedio intermitente , que puede usarse para satisfacer demandas de suministro regulares e imprevistas. ^[52] Además, el almacenamiento de energía para cubrir la intermitencia del déficit o para emergencias puede ser parte de un suministro de energía confiable.

En la práctica, a medida que varía la producción de energía eólica, las plantas convencionales parcialmente cargadas, que ya están presentes para proporcionar respuesta y reserva, ajustan su producción para compensar. Si bien las bajas penetraciones de energía intermitente pueden utilizar los niveles existentes de respuesta y reserva giratoria, las mayores variaciones generales en niveles de penetración más altos requerirán reservas adicionales u otros medios de compensación.

Reserva operativa

Todas las redes gestionadas ya cuentan con una reserva operativa y "giratoria" para compensar las incertidumbres existentes en la red eléctrica. La adición de recursos intermitentes como la energía eólica no requiere un "respaldo" del 100% porque las reservas operativas y los requisitos de equilibrio se calculan para todo el sistema y no se dedican a una planta generadora específica.

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

Generalmente las plantas térmicas que funcionan como plantas de pico serán menos eficientes que si funcionaran como carga base . Las instalaciones hidroeléctricas con capacidad de almacenamiento (como la configuración tradicional de presas) pueden operarse como plantas de carga base o de pico.

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

Respuesta de la demanda

La respuesta a la demanda es un cambio en el consumo de energía para alinearse mejor con la oferta. Puede tomar la forma de apagar cargas o absorber energía adicional para corregir desequilibrios entre oferta y demanda. En los sistemas americano, británico y francés se han creado numerosos incentivos para el uso de estos sistemas, como tarifas favorables o asistencia en los costes de capital, animando a los consumidores con grandes cargas a desconectarlos cuando haya escasez de capacidad o, por el contrario, a aumentar carga cuando hay excedente.

Ciertos tipos de control de carga permiten a la compañía eléctrica apagar las cargas de forma remota si no hay suficiente energía disponible. En Francia, los grandes usuarios, como el CERN, redujeron el consumo de energía según lo exigido por el operador del sistema (EDF), al amparo de la tarifa EJP. ^{[55] [56]}

La gestión de la demanda de energía se refiere a 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 menor precio y evitar períodos en los que es más escasa y costosa. ^[57] Algunas cargas, como las plantas desalinizadoras, las calderas eléctricas y las unidades de refrigeración industrial, pueden almacenar su producción (agua y calor). Varios artículos también concluyeron que las cargas mineras de Bitcoin reducirían las restricciones , 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 podrá 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 escasez de generación, bajo algún contrato mutuamente beneficioso. Esto puede dar lugar a reducciones (o aumentos) instantáneos de la carga.

Almacenamiento

Construcción de tanques de sal que proporcionan almacenamiento eficiente de energía térmica ^[67] para que la producción pueda proporcionarse después de que se ponga el sol y pueda programarse para satisfacer los requisitos de la demanda. ^[68] La estación generadora Solana de 280 MW está diseñada para proporcionar seis horas de almacenamiento de energía. Esto permite que la planta genere alrededor del 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 bajó un 97% en tres décadas.

En momentos de baja carga, donde la producción no distribuible de la energía eólica y solar puede ser alta, la estabilidad de la red requiere reducir la producción de varias fuentes de generación despachables o incluso aumentar las cargas controlables, posiblemente mediante el uso del almacenamiento de energía para trasladar la producción a momentos de mayor demanda. . Dichos mecanismos pueden incluir:

La energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo es la tecnología existente más utilizada y puede mejorar sustancialmente la economía de la energía eólica. La disponibilidad de sitios hidroeléctricos adecuados para el almacenamiento variará de una red a otra. La eficiencia típica de un viaje 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 medio de almacenamiento de gran capacidad y respuesta rápida. ^[13] El hidrógeno se puede crear mediante electrólisis y almacenarse 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 sustancial que les permite realizar ciclos con frecuencia sin una reducción notable de su vida útil, también tienen una respuesta y velocidades de rampa muy rápidas. Pueden pasar de una descarga completa a una carga completa en unos pocos segundos. ^[73] Pueden fabricarse utilizando materiales no tóxicos y respetuosos con el medio ambiente, fácilmente reciclables una vez finalizada su vida útil. ^[74]

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

El almacenamiento de energía eléctrica produce cierta pérdida de energía porque el almacenamiento y la recuperación no son perfectamente eficientes. El almacenamiento también requiere inversión de capital y espacio para 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. Combinar cualquier número adicional de turbinas (por ejemplo, en un parque eólico) da como resultado una menor variación estadística, siempre y cuando 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 más bajas, lo que reduce la variabilidad general. Dado que la energía eólica depende de los sistemas climáticos, existe un límite al beneficio de esta diversidad geográfica para cualquier sistema energético. ^[75]

Múltiples parques eólicos repartidos en una amplia área geográfica y conectados en red producen energía de manera 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 de un gran número de turbinas/parques. 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 los suministros fluctuantes generados por el viento. Normalmente hace 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 respaldo distribuible. ^[77]

• En algunos lugares, la demanda de electricidad puede tener una alta correlación con la producción eólica, ^{[ cita necesaria ]} 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 incrementarse con una mayor inversión en generación de reserva. Por ejemplo, algunos días podrían producir un 80% de viento intermitente y, en muchos días sin viento, sustituir un 80% de energía gestionable como gas natural, biomasa e hidroeléctrica.
• Las áreas con altos niveles de generación hidroeléctrica existentes pueden aumentar o disminuir para incorporar cantidades sustanciales de viento. Noruega , Brasil y Manitoba tienen altos niveles de generación hidroeléctrica, Quebec produce más del 90% de su electricidad a partir de energía hidroeléctrica y Hydro-Québec es el mayor productor de energía hidroeléctrica del mundo. El noroeste del Pacífico estadounidense 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 factible exportar energía a las redes vecinas en momentos de excedente e importar energía cuando sea necesario. Esta práctica es común en Europa ^[79] y entre Estados Unidos y Canadá. ^[80] La integración con otras redes puede reducir la concentración efectiva de energía variable: por ejemplo, la alta penetración de ERV en Dinamarca, en el contexto de las redes alemanas, holandesas y escandinavas con las que tiene interconexiones, es considerablemente menor como proporción de la 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/importación. Algo de energía se pierde en la transmisión. El valor económico de exportar energía variable depende en parte de la capacidad de la red exportadora para proporcionar a la red importadora energía útil en momentos útiles a un precio atractivo.

Acoplamiento sectorial

La demanda y la generación pueden adaptarse 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 apropiada para una alta penetración de energías renovables variables, en comparación con otras fuentes de flexibilidad. ^[82] La Agencia Internacional de Energía dice que el acoplamiento sectorial es necesario para compensar el desajuste entre la oferta y la demanda estacional. ^[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 . ^{[84] [85]}

Penetración

La penetración se refiere a la proporción de una fuente de energía primaria (PE) 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 PE dividida por la carga máxima dentro de un sistema de energía eléctrica; o
2. la capacidad nominal (potencia instalada) de una fuente de PE dividida por la capacidad total del sistema de energía eléctrica; o
3. la energía eléctrica generada por una fuente de PE en un período determinado, dividida por la demanda del sistema de energía eléctrica en ese 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, la energía hidroeléctrica con embalses o estanques u otras plantas de energía de pico, como las plantas de energía alimentadas con gas natural, son capaces de adaptarse más fácilmente a las fluctuaciones de la energía intermitente. ^[87]
• Los sistemas de energía eléctrica relativamente pequeños sin una fuerte interconexión (como las islas remotas) pueden conservar algunos generadores diésel existentes pero consumir menos combustible, ^[88] para tener flexibilidad ^[89] hasta que las fuentes de energía más limpias o el almacenamiento, como el bombeo hidráulico o las baterías, se vuelvan rentables. ^[90]

A principios de la década de 2020, la energía eólica y solar producían el 10% de la electricidad mundial, ^[91] pero ya se ha implementado en varios sistemas un suministro en el rango de penetración del 40-55%, ^[6] y más del 65% está previsto 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 difiere y los propios sistemas cambiarán con el tiempo. La discusión sobre 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 gestión de la red y la capacidad de generación existente.

Para la mayoría de los sistemas en todo el mundo, los niveles de penetración existentes son significativamente más bajos que los máximos prácticos o teóricos. ^[86]

Límites máximos de penetración

La penetración máxima de la energía eólica y solar combinada se estima en alrededor del 70% al 90% sin agregación regional, gestión de la demanda o almacenamiento; y hasta un 94% con 12 horas de almacenamiento. ^[94] Es más probable que las consideraciones de eficiencia económica y costos predominen como factores críticos; Las soluciones técnicas pueden permitir que se consideren niveles de penetración más altos en el futuro, especialmente 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 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, también tendrán costos externos como la contaminación, las emisiones 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 a medida que aumenten los niveles de penetración. En niveles de penetración bajos, se cree que costos como la reserva operativa y los costos de equilibrio son insignificantes.

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

• Capacidad de transmisión: la capacidad de transmisión puede ser más costosa que la capacidad de generación nuclear y de carbón debido a factores de carga más bajos. La capacidad de transmisión generalmente se dimensionará según la producción máxima proyectada, pero la capacidad promedio de 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 corresponde a los patrones de demanda, es posible que se requiera una reserva operativa adicional en comparación con otros tipos de generación; sin embargo, esto no resulta en mayores costos de capital para plantas adicionales, ya que se trata simplemente de plantas existentes que funcionan a baja producción. - reserva para spinning. 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 exista alguna probabilidad de producción durante los períodos pico". La capacidad de respaldo no se atribuye a los generadores individuales, ya que el respaldo o la reserva operativa "sólo tienen significado a nivel del sistema". ^[96]
• Costos de equilibrio: para mantener la estabilidad de la red, se pueden incurrir en algunos costos adicionales para equilibrar la carga con la demanda. Aunque 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 cerradas para construir una determinada capacidad de energía solar para conectarse a determinadas 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 determinada cantidad total de energía. Esto proporciona seguridad a los inversores frente a los precios mayoristas de la electricidad altamente volátiles. ^{[101] [102] [103]} Sin embargo, aún pueden correr el riesgo de volatilidad del tipo de cambio si piden prestado 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 Operador, afirma que los nuevos productos y servicios ayudarán a reducir el costo general de operación del sistema. ^[106]

Alemania

En países con una cantidad considerable de energía renovable, la energía solar provoca caídas de precios todos los días alrededor del mediodía. La producción fotovoltaica sigue la mayor demanda durante estas horas. Las imágenes siguientes muestran dos semanas de 2022 en Alemania, donde las energías renovables representan más del 40%. ^[107] Los precios también bajan todas las noches y fines de semana debido a la baja demanda. En las horas sin energía fotovoltaica y eólica, los precios de la electricidad suben. Esto puede llevar a ajustes del lado de la demanda. Mientras que la industria depende de los precios por hora, la mayoría de los hogares siguen pagando una tarifa fija. Con los contadores inteligentes , los consumidores privados también pueden estar motivados, es decir, a cargar un coche eléctrico cuando hay suficiente energía renovable disponible y los precios son baratos.

La flexibilidad orientable en la producción de electricidad es esencial para respaldar las fuentes de energía variables. El ejemplo alemán muestra que el almacenamiento hidráulico por bombeo, las plantas de gas y la hulla entran rápidamente en escena. El lignito varía diariamente. En teoría, la energía nuclear y la biomasa pueden adaptarse hasta cierto punto. Sin embargo, en este caso los incentivos todavía no parecen ser lo suficientemente elevados.

Ver también

• Portal de energía

• Central eléctrica de hidrógeno de ciclo combinado
• Seguridad energética y tecnología renovable
• Bomba de calor geotérmica
• Costo de la electricidad por fuente
• Spark spread : cálculo del coste de la copia de seguridad
• Lista de centrales eléctricas de almacenamiento de energía

Otras lecturas

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

Referencias

1. Cartlidge, Edwin (18 de noviembre de 2011). "Ahorrar para un día lluvioso". Ciencia . 334 (6058): 922–924. Código Bib : 2011 Ciencia... 334.. 922C. doi : 10.1126/ciencia.334.6058.922. ISSN  0036-8075. PMID  22096185.
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enlaces externos

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