La energía renovable variable ( VRE ) (también llamada fuentes de energía renovable intermitente (IRES) ) es una fuente de energía renovable que no se puede despachar debido a su naturaleza fluctuante, como la energía eólica y la energía solar , a diferencia de una fuente de energía renovable controlable como hidroelectricidad o biomasa represas , o una fuente relativamente constante 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. [2] [3] Las opciones para absorber grandes proporciones de energía variable en la red incluyen el uso de almacenamiento , la mejora de la interconexión entre diferentes fuentes variables para suavizar el suministro, el uso de fuentes de energía despachables como hidroeléctricas y el exceso de capacidad, de modo que se produzca suficiente energía incluso cuando el clima es menos favorable.
Terminología
Varios términos clave son útiles para comprender el problema de las fuentes de energía intermitentes. Estos términos no están estandarizados y se pueden usar variaciones. La mayoría de estos términos también se aplican a las centrales eléctricas tradicionales.
- La intermitencia o variabilidad es la medida en que fluctúa una fuente de energía. Esto tiene dos aspectos: una variabilidad predecible (como el ciclo día-noche) y una parte impredecible (previsión meteorológica local imperfecta). [4] El término intermitente se puede utilizar para referirse a la parte impredecible, mientras que variable se refiere a la parte predecible. [5]
- La capacidad de despacho es la capacidad de una fuente de energía determinada para aumentar y disminuir la producción rápidamente a pedido. El concepto es distinto de intermitencia; la capacidad de despacho es una de las diversas formas en que los operadores del sistema combinan el suministro (salida del generador) con la demanda del sistema (cargas técnicas). [6]
- En este contexto, la penetración se utiliza generalmente para referirse a la cantidad de energía generada como porcentaje del consumo anual. [7]
- La potencia nominal o capacidad nominal se refiere a la producción máxima de una planta generadora en condiciones normales de operación. Este es el número más común utilizado y normalmente se expresa en vatios (incluidos múltiplos como kW, MW, GW).
- Factor de capacidad , factor de capacidad media , o factor de carga es la producción media esperada de un generador, por lo general durante un período anual. Expresado como porcentaje de la capacidad de la placa de identificación o en forma decimal (por ejemplo, 30% o 0,30).
- La capacidad o potencia firme está "garantizada por el proveedor para estar disponible en todo momento durante un período cubierto por un compromiso". [8]
- Crédito de capacidad : generalmente la cantidad de producción de una fuente de energía en la que se puede confiar estadísticamente, prácticamente la potencia mínima dentro de un período más largo, generalmente expresada como un porcentaje de la potencia nominal. [9] Si la fuente de energía está lejos del consumidor, por ejemplo, algo de energía eólica en China , también debe tenerse en cuenta la confiabilidad de la transmisión. [10]
- La previsibilidad o predictibilidad es la precisión con la que el operador puede anticipar la generación: [11] por ejemplo, la potencia de las mareas varía con las mareas, pero es completamente previsible 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. [12]
Fuentes
La hidroelectricidad convencional, la biomasa y la geotermia son completamente despachables ya que cada una tiene una reserva de energía potencial; la energía eólica y solar sin almacenamiento se puede reducir, pero no despachar, excepto cuando la naturaleza lo proporciona. Entre el viento y la energía solar, la energía solar tiene un ciclo diario más variable que el viento, pero es más predecible en las horas del día que el viento. Al igual que la energía solar, la energía de las mareas varía entre ciclos de encendido y apagado a lo largo de cada día, a diferencia de la solar, no hay intermitencia, las mareas están disponibles todos los días sin falta. El biocombustible y la biomasa implican múltiples pasos en la producción de energía: plantas de cultivo, recolección, procesamiento, transporte, almacenamiento y quema para generar calor para la electricidad, el transporte o la calefacción de espacios. En la planta de energía combinada utilizada por la Universidad de Kassel para simular el uso de energía 100% renovable , los parques eólicos y solares se complementaron según fuera necesario con almacenamiento de agua y biomasa para seguir la demanda de electricidad. [13]
Energía eólica
La previsión de energía eólica es la menos precisa de todas las fuentes variables de energía renovable. [ cita requerida ] Los operadores de la red utilizan el pronóstico del día para determinar cuál de las fuentes de energía disponibles usar al día siguiente, y el pronóstico del tiempo se usa para predecir la producción de energía eólica y solar disponible. Aunque los pronósticos de energía eólica se han utilizado operativamente durante décadas, a partir de 2019[actualizar]la IEA está organizando una colaboración internacional para mejorar aún más su precisión. [14]
La energía eólica 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 generar electricidad, y si es demasiado alta, las turbinas deberán apagarse para evitar daños. Si bien la salida 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 salida de potencia promedio se vuelve menos variable. [15]
- Intermitencia: Las regiones más pequeñas que la escala sinóptica (menos de aproximadamente 1000 km de largo, el tamaño de un país promedio) tienen casi el mismo clima y, por lo tanto, alrededor de la misma energía eólica, a menos que las condiciones locales favorezcan los vientos especiales. Algunos estudios muestran que los parques eólicos distribuidos en un área geográficamente diversa, en general, rara vez dejarán de producir energía por completo. [16] [17] Sin embargo, este es raramente el caso de áreas más pequeñas con geografía uniforme como Irlanda, [18] [19] [20] Escocia [21] y Dinamarca, que tienen varios días al año con poca energía eólica. [22]
- Factor de capacidad: la energía eólica normalmente tiene un factor de capacidad anual del 25% al 50%, y la energía eólica marina supera a la energía eólica terrestre. [23]
- Capacidad de despacho: Debido a que la energía eólica no es en sí misma, los parques eólicos a veces se construyen con almacenamiento. [24] [25]
- Crédito de capacidad: a bajos niveles 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, disminuye el porcentaje de crédito de capacidad. [26] [27]
- Variabilidad: depende del sitio. [28] Las brisas marinas son mucho más constantes que las brisas terrestres. [15] La variabilidad estacional puede reducir la producción en un 50%. [29]
- Fiabilidad : un parque eólico tiene una alta fiabilidad técnica cuando sopla el viento. Es decir, la salida en un momento dado solo variará gradualmente debido a la caída de la velocidad del viento o tormentas (estas últimas requieren paradas). Es poco probable que un parque eólico típico tenga que cerrar en menos de media hora en el extremo, mientras que una central eléctrica de tamaño equivalente puede fallar totalmente instantáneamente y sin previo aviso. El apagado total de las turbinas eólicas es predecible a través de la previsión meteorológica. La disponibilidad promedio de una turbina eólica es del 98%, y cuando una turbina falla o se apaga por mantenimiento, solo afecta a un pequeño porcentaje de la producción de un gran parque eólico. [30]
- Previsibilidad: aunque el viento es variable, también es predecible a corto plazo. Hay un 80% de probabilidad de que la producción eólica cambie menos del 10% en una hora y un 40% de que cambie un 10% o más en 5 horas. La previsibilidad aumenta a medida que mejoran los pronósticos meteorológicos . [31] Dinamarca exporta excedentes de energía eólica e importa durante los períodos de déficit hacia y desde la red de la UE, en particular la energía hidroeléctrica noruega, para equilibrar la oferta con la demanda. [32]
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. [33]
Durante la ola de calor de California de 2006, la producción de energía eólica en California disminuyó significativamente a un promedio del 4% de la capacidad durante siete días. [34] Se observó un resultado similar durante la ola de calor europea de 2003 , cuando la producción de energía eólica en Francia, Alemania y España cayó por debajo del 10% durante las horas pico de demanda. [35]
Según un artículo de EnergyPulse , "el desarrollo y la expansión de mercados en tiempo real y en el día a día que funcionen bien proporcionarán un medio eficaz para hacer frente a la variabilidad de la generación eólica". [36]
En Ontario , Canadá, el Operador Independiente del Sistema Eléctrico ha estado experimentando con energía eólica distribuible para satisfacer las demandas máximas. En este caso, varios aerogeneradores deliberadamente no están conectados a la red, pero están girando y listos para generar, y cuando surge la necesidad de más energía, se conectan a la red. IESO está intentando esto ya que los generadores eólicos responden a demandas repentinas de energía mucho más rápido que los generadores de gas o los generadores hidroeléctricos. [37]
Energía solar
La energía solar es más predecible que la energía eólica y menos variable: si bien nunca hay energía solar disponible durante la noche y hay una reducción en invierno, los únicos factores desconocidos para predecir la producción solar cada día son las nubes, las heladas y la nieve. Muchos días seguidos en algunos lugares están relativamente libres de nubes, al igual que muchos días seguidos en el mismo lugar o en otros lugares están nublados, lo que genera una previsibilidad relativamente alta. [ cita requerida ] La demanda mundial total es de aproximadamente 12 TW, muchas veces menos que la cantidad que podría generarse a partir de los recursos eólicos y solares potenciales. Se podrían proporcionar de 40 a 85 TW a partir del viento y aproximadamente 580 TW a partir de la energía solar. [38]
La intermitencia afecta de forma inherente 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 un momento determinados. 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. [39]
- Variabilidad: En ausencia de 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. [40]
- Factor de capacidad La energía solar fotovoltaica estándar tiene un factor de capacidad promedio anual del 10-20%, [41] pero los paneles que se mueven y siguen el sol tienen un factor de capacidad de hasta el 30%. [42] Depósito cilindro-parabólico solar térmico con almacenamiento 56%. [43] Torre de energía solar térmica con almacenamiento 73%. [43]
El impacto de la intermitencia de la electricidad generada por energía solar dependerá de la correlación de la generación con la demanda. Por ejemplo, las plantas de energía solar térmica como Nevada Solar One se adaptan de alguna manera a las cargas máximas de verano en áreas con importantes demandas de refrigeración, como el suroeste de los 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 que usa almacenamiento térmico representa una disminución en la capacidad máxima y extiende el tiempo total que el sistema genera energía. [44] [45] [46]
Hidroelectricidad de pasada
En muchos condados europeos y América del Norte, el movimiento ambiental ha eliminado la construcción de presas con grandes embalses. Se han seguido construyendo proyectos de pasada, como el Proyecto Keeyask de 695MW en Canadá, que comenzó a construirse en 2014. [47] La ausencia de un embalse da como resultado variaciones estacionales y anuales en la electricidad generada.
Poder de las mareas
La energía de las mareas es la más predecible de todas las fuentes de energía renovables variables. Dos veces al día las mareas varían al 100%, pero nunca son intermitentes, al contrario son completamente fiables. Se estima que Gran Bretaña podría obtener el 20% de la energía de la energía mareomotriz, solo 20 sitios en el mundo han sido identificados como posibles centrales mareomotrices. [48]
Energía ondulatoria
Las olas son creadas principalmente por el viento, por lo que la energía disponible de las olas tiende a seguir a la disponible del viento, pero debido a que 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 energía de las olas es proporcional al cuadrado de la altura de las olas. [49] [50] [51]
Resolviendo la intermitencia
La penetración de las energías renovables intermitentes en la mayoría de las redes eléctricas es baja: la generación de electricidad mundial en 2020 fue un 7% eólica y un 3% solar. [52] Sin embargo, los países europeos tienden a tener una proporción mucho mayor de ERV en su mezcla de generación, con Alemania por encima del 40% y el Reino Unido por encima del 30%. [52] Para operar con este nivel de penetración, los países europeos exportan excedentes e importan durante los déficits hacia y desde los países vecinos, en particular la energía hidroeléctrica de Noruega, para equilibrar la oferta con la demanda. [32] A pesar de esta conectividad existente, en 2020 algunos países europeos todavía dependían de las centrales eléctricas de gas para su flexibilidad, [53] [54] [55] y la AIE pidió una mayor integración del sistema energético en Europa. [56]
Existen soluciones tecnológicas para mitigar la intermitencia del tipo de energía eólica a gran escala, como el aumento de la interconexión (la superred europea ), la respuesta a la demanda , la gestión de carga (en los esquemas de tipo de servicio de red nacional británico , respuesta de frecuencia / reserva de red nacional ) y el uso de sistemas existentes. centrales eléctricas en espera. Las redes eléctricas grandes y distribuidas son más capaces de lidiar con altos niveles de penetración que las redes pequeñas y aisladas. Para una red eléctrica hipotética a escala europea, el análisis ha demostrado que los niveles de penetración de la energía eólica tan altos como el 70% son viables, [57] y que en los EE. UU. Mejorar la transmisión para integrar mejor la ERV también es rentable. [58] Las rejillas más pequeñas pueden ser menos tolerantes a altos niveles de penetración. [2] [59]
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 de las centrales eléctricas. Aunque las redes eléctricas ya están diseñadas para tener una capacidad superior a la demanda máxima proyectada para hacer frente a estos problemas, es posible que se requieran actualizaciones importantes para acomodar grandes cantidades de energía intermitente. [15]
Compensación de la variabilidad
El uso de fuentes intermitentes se basa en redes de energía eléctrica que se administran cuidadosamente, por ejemplo, utilizando una generación altamente distribuible que puede apagarse por sí misma cada vez que una fuente intermitente comienza a generar energía, y arrancar con éxito sin previo aviso cuando las fuentes intermitentes dejan de generar. [60]
La generación despachable desplazada podría ser carbón, gas natural, biomasa, nuclear, geotérmica o de almacenamiento hidroeléctrico. En lugar de iniciar y detener la energía nuclear o geotérmica, es más barato usarlos como potencia de carga base constante . Cualquier energía generada en exceso de la demanda puede desplazar los combustibles de calefacción, convertirse para 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. 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 en el suelo. 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 factores de capacidad más bajos . [61]
Todas las fuentes de energía eléctrica tienen cierto grado de variabilidad, al igual que los patrones de demanda que habitualmente provocan grandes variaciones en la cantidad de electricidad que los proveedores alimentan 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 de energía renovable confiable puede satisfacerse 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. [62] Además, el almacenamiento de energía para suplir la intermitencia del déficit o para emergencias puede ser parte de un suministro de energía confiable.
Reserva operacional
Todas las redes administradas ya tienen una reserva operativa y "giratoria" existente para compensar las incertidumbres existentes en la red eléctrica. La adición de recursos intermitentes como el viento no requiere un 100% de "respaldo" porque las reservas operativas y los requisitos de equilibrio se calculan sobre una base de todo el sistema y no se dedican a una planta generadora específica.
Algunas plantas de energía hidroeléctrica o de gas se cargan parcialmente y luego se controlan para cambiar 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, generalmente en escalas de tiempo de 30 segundos a 30 minutos, se denomina "reserva giratoria".
Generalmente, las plantas térmicas que funcionan como plantas pico serán menos eficientes que si estuvieran funcionando como carga base . Las instalaciones hidroeléctricas con capacidad de almacenamiento (como la configuración de presa tradicional) pueden funcionar como plantas de carga base o de pico.
En la práctica, a medida que varía la producción de energía del viento, 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 usar los niveles existentes de respuesta y reserva de rotación, las variaciones generales más grandes en niveles de penetración más altos requerirán reservas adicionales u otros medios de compensación.
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 desconectar cargas o absorber energía adicional para corregir los desequilibrios entre la oferta y la demanda. Se han creado ampliamente incentivos en los sistemas estadounidense, británico y francés para el uso de estos sistemas, como tarifas favorables o asistencia de costos de capital, alentando a los consumidores con grandes cargas a desconectarlos cuando hay escasez de capacidad, o por el contrario a aumentar carga cuando hay un 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 uso de energía según lo exigido por el operador del sistema, EDF, bajo el impulso de la tarifa EJP. [63] [64]
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 bajo costo y evitar períodos en los que es más escasa y costosa. [65] Algunas cargas, como las plantas de desalinización, los mineros de Bitcoin , las calderas eléctricas y las unidades de refrigeración industrial, pueden almacenar su producción (agua y calor). Estas "cargas oportunistas" pueden aprovechar la "electricidad explosiva" cuando está disponible.
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 de beneficio mutuo. Esto puede producir reducciones (o aumentos) de carga instantáneos.
La generación de electricidad solar intermitente tiene una correlación directa donde el clima cálido y soleado genera altas demandas de enfriamiento. Ésta es una relación ideal entre la energía intermitente y la demanda.
Almacenamiento
En momentos de carga baja donde la producción no despachable de la energía eólica y solar puede ser alta, la estabilidad de la red requiere reducir la salida de varias fuentes generadoras despachables o incluso aumentar las cargas controlables, posiblemente mediante el uso del almacenamiento de energía para cambiar la salida a tiempos de mayor demanda. . Dichos mecanismos pueden incluir:
La energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo es la tecnología existente que se utiliza con mayor frecuencia y puede mejorar sustancialmente la economía de la energía eólica. La disponibilidad de instalaciones hidroeléctricas adecuadas para el almacenamiento variará de una red a otra. La eficiencia típica de ida y vuelta es del 80%. [15] [69]
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]. [70] Las baterías de flujo recargables pueden servir como medio de almacenamiento de gran capacidad y respuesta rápida. [6] El hidrógeno puede crearse mediante electrólisis y almacenarse para su uso posterior. [71]
El almacenamiento de energía térmica almacena calor. El calor almacenado puede usarse directamente para necesidades de calefacción o convertirse en electricidad. En el contexto de una planta de cogeneración, un almacenamiento de calor puede servir como almacenamiento funcional de electricidad a costes comparativamente bajos. Aire acondicionado para almacenamiento de hielo El hielo se puede almacenar entre temporadas y se puede utilizar como fuente de aire acondicionado durante períodos de alta demanda. Los sistemas actuales solo necesitan almacenar hielo durante unas horas, pero están bien desarrollados.
El almacenamiento de energía eléctrica da como resultado una pérdida de energía porque el almacenamiento y la recuperación no son perfectamente eficientes. El almacenamiento también requiere una inversión de capital y espacio para instalaciones de almacenamiento.
Diversidad geográfica y tecnologías complementarias
La variabilidad de la producción de una sola turbina eólica puede ser alta. La combinación de cualquier número adicional de turbinas (por ejemplo, en un parque eólico) da como resultado una menor variación estadística, siempre que la correlación entre la salida de cada turbina sea imperfecta y las correlaciones siempre sean imperfectas debido a la distancia entre cada turbina. De manera similar, los aerogeneradores o parques eólicos geográficamente distantes tienen correlaciones más bajas, lo que reduce la variabilidad general. Dado que la energía eólica depende de los sistemas meteorológicos, existe un límite para el beneficio de esta diversidad geográfica para cualquier sistema de energía. [72]
Múltiples parques eólicos distribuidos 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 las instalaciones más nuevas. [72]
La electricidad producida a partir de la energía solar tiende a contrarrestar los suministros fluctuantes generados por el viento. Normalmente es más ventoso por la noche y durante el tiempo nublado o tormentoso, y hay más sol en los días despejados con menos viento. [73] 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.
- En algunos lugares, la demanda de electricidad puede tener una alta correlación con la producción de viento, [ cita requerida ] particularmente en lugares donde las bajas temperaturas impulsan el consumo eléctrico (ya que el aire frío es más denso y transporta más energía).
- La penetración permitida se puede aumentar 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 el 80% por energía distribuible como gas natural, biomasa e hidroeléctrica.
- Las áreas con altos niveles existentes de generación hidroeléctrica 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 e Hydro-Québec es el mayor productor de energía hidroeléctrica del mundo. El noroeste del Pacífico de EE. UU. Ha sido identificado como otra región donde la energía eólica se complementa bien con la energía hidroeléctrica existente. [74] La capacidad de almacenamiento en las instalaciones hidroeléctricas estará limitada por el tamaño del embalse y por consideraciones medioambientales y de otro tipo.
Conexión de 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 Occidental y América del Norte. La integración con otras redes puede reducir la concentración efectiva de potencia variable: por ejemplo, la alta penetración de VRE de Dinamarca, en el contexto de las redes alemanas / holandesas / escandinavas con las que tiene interconexiones, es considerablemente menor como proporción del sistema total. Las plantas de pico o la energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo que compensan la variabilidad se pueden utilizar entre países.
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 energía útil a la red importadora en momentos útiles a un precio atractivo.
Acoplamiento sectorial
La demanda y la generación pueden combinarse mejor cuando sectores como la movilidad, la calefacción y el gas se combinan con el sistema eléctrico. Se espera, por ejemplo, que el mercado de vehículos eléctricos se convierta en la mayor fuente de capacidad de almacenamiento. Esta puede ser una opción más costosa apropiada para una alta penetración de energías renovables variables, en comparación con otras fuentes de flexibilidad. [75] La Agencia Internacional de la Energía indica que se necesita un acoplamiento sectorial para compensar el desajuste entre la oferta y la demanda estacionales. [76]
Los vehículos eléctricos se pueden cargar durante períodos de baja demanda y alta producción, y en algunos lugares devuelven energía del vehículo a la red . [77] [78]
Penetración
La penetración se refiere a la proporción de una fuente de energía primaria (PE) en un sistema de energía eléctrica, expresada como porcentaje. [7] Hay varios métodos de cálculo que producen diferentes penetraciones. La penetración se puede calcular como: [79]
- la capacidad nominal (potencia instalada) de una fuente de PE dividida por la carga máxima dentro de un sistema de energía eléctrica; o
- la capacidad nominal (potencia instalada) de una fuente de PE dividida por la capacidad total del sistema de energía eléctrica; o
- la energía eléctrica generada por una fuente de PE en un período determinado, dividida por la demanda del sistema eléctrico en ese período.
El nivel de penetración de fuentes variables intermitentes es significativo por las siguientes razones:
- Las redes de energía con cantidades significativas de acumulación por bombeo despachable, la energía hidroeléctrica con depósito o pondage u otras plantas de energía de pico tales como las plantas de energía de gas natural son capaces de acomodar las fluctuaciones de energía intermitente más fácilmente. [80]
- Los sistemas de energía eléctrica relativamente pequeños sin una fuerte interconexión (como islas remotas) pueden retener algunos generadores diésel existentes pero consumir menos combustible, [81] por flexibilidad [82] hasta que las fuentes de energía más limpias o el almacenamiento, como las bombas hidráulicas o las baterías, sean rentables. [83]
A principios de la década de 2020, la energía eólica y solar producen el 10% de la electricidad mundial, [84] pero el suministro en el rango de penetración del 20-50% ya se ha implementado en varios sistemas, [85] con un 65% recomendado para 2030 por la Infraestructura Nacional del Reino Unido. Comisión. [86]
No existe un nivel máximo de penetración generalmente aceptado, ya que la capacidad de cada sistema para compensar la intermitencia es diferente y los sistemas mismos cambiarán con el tiempo. La discusión de las cifras de penetración aceptables o inaceptables debe tratarse y usarse con precaución, ya que la relevancia o importancia dependerá en gran medida de los 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. [79]
Límites máximos de penetración
No existe una penetración máxima de energía eólica generalmente aceptada que sea factible en una red determinada. Por el contrario, es más probable que dominen la eficiencia económica y las consideraciones de costos como factores críticos; Las soluciones técnicas pueden permitir que se consideren niveles de penetración más altos en el futuro, particularmente si las consideraciones de costos son secundarias.
Los escenarios de alta penetración pueden ser factibles en determinadas circunstancias:
- La generación de energía durante períodos de poca o ninguna generación eólica puede proporcionarse reteniendo las centrales eléctricas existentes. El costo de utilizar las centrales eléctricas existentes para este propósito puede ser bajo, ya que los costos de combustible dominan los costos operativos. El costo real de pagar para mantener una central eléctrica inactiva, pero utilizable con poca antelación, puede estimarse a partir de los diferenciales de chispas y de oscuridad publicados . A medida que las plantas tradicionales existentes envejecen, el costo de reemplazar o renovar estas instalaciones se convertirá en parte del costo del viento de alta penetración si se utilizan solo para proporcionar reserva operativa.
- El deslastre automático de cargas industriales grandes y su posterior reconexión automática es una tecnología establecida y se utiliza en el Reino Unido y EE. UU., Y se conoce como contratistas de servicios de frecuencia en el Reino Unido. Varios GW se apagan y encienden cada mes en el Reino Unido de esta manera. Los contratistas de Reserve Service ofrecen turbinas de gas de respuesta rápida e incluso motores diesel más rápidos en el Reino Unido, Francia y EE. UU. Para controlar la estabilidad de la red.
- En un escenario eólico cercano al 100%, se puede permitir el excedente de energía eólica aumentando los niveles de los esquemas de servicios de reserva y frecuencia existentes y extendiendo el esquema a cargas de tamaño doméstico. La energía se puede almacenar mediante el avance de cargas domésticas diferibles, como calentadores de almacenamiento, calentadores de agua, motores de frigoríficos o incluso la producción de hidrógeno , y la carga se puede eliminar apagando dicho equipo.
- Alternativa o adicionalmente, la energía se puede exportar a las redes vecinas y volver a importar más tarde. Los cables HVDC son eficientes con una pérdida del 3% por 1000 km y pueden resultar económicos en determinadas circunstancias. Por ejemplo, un enlace de 8 GW desde el Reino Unido a Francia costaría alrededor de mil millones de libras esterlinas utilizando cables de corriente continua de alto voltaje . En tales escenarios, la cantidad de capacidad de transmisión requerida puede ser muchas veces mayor que la disponible actualmente.
Impactos económicos de la variabilidad
Las estimaciones del costo de la energía eólica pueden incluir estimaciones de los costos "externos" de la variabilidad del viento o limitarse al costo de producción. Toda planta eléctrica tiene costos que están separados 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, particularmente los derivados de combustibles fósiles, también tendrán externalidades de costos como la contaminación, la emisión de gases de efecto invernadero y la destrucción del hábitat, que generalmente no se contabilizan directamente. La magnitud de los impactos económicos se debate y variará según la ubicación, pero se espera que aumente con mayores niveles de penetración. A niveles de penetración bajos, se cree que los costos como la reserva operativa y los costos de equilibrio son insignificantes.
La intermitencia puede introducir costos adicionales que son distintos o de diferente magnitud que para los tipos de generación tradicionales. Estos pueden incluir:
- Capacidad de transmisión: la capacidad de transmisión puede ser más cara que la capacidad de generación nuclear y de carbón debido a factores de carga más bajos. La capacidad de transmisión generalmente se dimensionará para la producción máxima proyectada, pero la capacidad promedio de 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. [87]
- Reserva operativa adicional: si el viento 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 da como resultado costos de capital más altos para plantas adicionales, ya que se trata simplemente de plantas existentes que funcionan con baja producción - hilatura reserva. Contrariamente a las afirmaciones de que todo el viento debe estar respaldado por una cantidad igual de "capacidad de respaldo", los generadores intermitentes contribuyen a la capacidad base "siempre que haya alguna probabilidad de producción durante los períodos pico". La capacidad de respaldo no se atribuye a generadores individuales, ya que el respaldo o la reserva operativa "solo tienen significado a nivel del sistema". [88]
- Costos de equilibrio: para mantener la estabilidad de la red, se pueden incurrir en algunos costos adicionales para equilibrar la carga con la demanda. La capacidad de la red para equilibrar la oferta con la demanda dependerá de la tasa de cambio de la cantidad de energía producida (por ejemplo, por el viento) y la capacidad de otras fuentes para aumentar o reducir la producción. En general, se ha encontrado que los costos de equilibrio son bajos. [ cita requerida ]
- Almacenamiento, exportación y gestión de carga: en altas penetraciones, es posible que se requieran soluciones (descritas a continuación) para hacer frente a una alta producción de viento durante períodos de baja demanda. Estos pueden requerir gastos de capital adicionales o resultar en ingresos marginales más bajos para los productores eólicos.
Regulación y planificación de la red
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 podría tener emisiones de carbono negativas para 2033. [89] La empresa, Operadora del Sistema Nacional de Electricidad de la Red, afirma que los nuevos productos y servicios ayudarán a reducir el costo total de operación del sistema. [90]
Ver también
- Seguridad energética y tecnología renovable
- Bomba de calor geotérmica
- Costo relativo de la electricidad generada por diferentes fuentes.
- Spark spread : cálculo del costo de respaldo
- Lista de proyectos de almacenamiento de energía
Otras lecturas
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enlaces externos
- Integración de la red de energía eólica