Fuente de energía intermitente para niños

La central solar Andasol de 150 MW es una planta de energía solar térmica parabólica comercial, ubicada en España. La planta de Andasol utiliza tanques de sal fundida para almacenar energía solar, de modo que pueda continuar generando electricidad incluso cuando el sol no brilla.

Construcción de los tanques de sal que proporcionan un eficiente almacenamiento de energía térmica para que se pueda proporcionar una salida después de que se ponga el sol, y se puede programar una salida para cumplir con los requisitos de la demanda. 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.

Una fuente de energía intermitente es cualquier fuente de energía que no está continuamente disponible para su conversión en electricidad y control directo externo porque la energía primaria utilizada no se puede almacenar. Las fuentes de energía intermitentes pueden ser predecibles pero no pueden despachar para satisfacer la demanda de un sistema de energía eléctrica.

El uso de fuentes intermitentes en un sistema de energía eléctrica generalmente desplaza la energía primaria almacenable que de otra manera sería consumida por otras centrales eléctricas.Otra opción es almacenar la electricidad generada por fuentes de energía no despachables para su uso posterior cuando sea necesario, por ejemplo, en forma de almacenamiento por bombeo , aire comprimido o en baterías. Una tercera opción es el acoplamiento sectorial, por ejemplo, mediante calefacción eléctrica para esquemas de calefacción urbana.

El uso de pequeñas cantidades de energía intermitente tiene poco efecto en las operaciones de la red. El uso de grandes cantidades de energía intermitente puede requerir actualizaciones o incluso un rediseño de la infraestructura de la red.

Terminología

Varios términos clave son útiles para comprender el problema de las fuentes de energía intermitentes. Estos términos no están estandarizados, y pueden usarse variaciones. La mayoría de estos términos también se aplican a las centrales eléctricas tradicionales.

• Intermitencia puede significar hasta qué punto una fuente de alimentación se detiene involuntariamente o no está disponible, pero la intermitencia se usa frecuentemente como sinónimo de variabilidad, que es la medida en que una fuente de energía puede exhibir cambios en la salida.
• La capacidad de despacho o maniobrabilidad es la capacidad de una fuente de energía determinada para aumentar y disminuir la producción rápidamente a pedido. El concepto es distinto de la intermitencia; La capacidad de despacho es una de las varias formas en que los operadores de sistemas combinan el suministro (salida del generador) con la demanda del sistema (cargas técnicas).
• La penetración en este contexto se utiliza generalmente para referirse a la cantidad de energía generada como porcentaje del consumo anual.
• La potencia nominal o la capacidad de la placa de identificación se refieren a la producción máxima de una planta de generación en condiciones normales de operación. Este es el número más común utilizado y generalmente se expresa en vatios (incluidos múltiplos como kW, MW, GW).
• El factor de capacidad , el factor de capacidad promedio o el factor de carga es el rendimiento promedio esperado de un generador, generalmente durante un período anual. Expresado como un porcentaje de la capacidad de la placa de identificación o en forma decimal (por ejemplo, 30% o 0.30).
• Capacidad de crédito : generalmente la cantidad de salida de una fuente de energía en la que se puede confiar estadísticamente, prácticamente la potencia mínima dentro de un período más largo, generalmente expresado como un porcentaje de la potencia nominal.
• Capacidad firme la cantidad de potencia que se puede garantizar que se proporcionará como potencia base
• Capacidad no firme la cantidad de energía por encima de la capacidad firme que generalmente se vende a un precio más alto en el mercado objetivo.

Intermitencia de varias fuentes de poder

Plato Stirling

Variación estacional de la salida de los paneles solares en el parque de AT&T en San Francisco

La intermitencia afecta de manera 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 tiempo determinados. La producción solar varía a lo largo del día y las estaciones, y se ve afectada por el polvo, la niebla, la capa de nubes, las heladas o la nieve. Muchos de los factores estacionales son bastante predecibles, y algunos sistemas de energía solar térmica utilizan el almacenamiento de calor para producir energía de la red durante un día completo.

• Intermitencia: en ausencia de un sistema de almacenamiento de energía, la energía solar no produce energía durante la noche o con mal tiempo y varía entre el verano y el invierno. Cuando se pretende producir electricidad solo para cargas pico de aire acondicionado en el verano, no hay intermitencia; En invierno se puede complementar con energía eólica para cargas máximas.
• Factor de capacidad solar fotovoltaica en Massachusetts 12-15%. En Arizona del 19%. Depósito térmico solar parabólico con almacenamiento del 56%. Torre de energía solar térmica con almacenamiento 73%.

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 están algo adaptadas a las cargas pico de verano en áreas con importantes demandas de enfriamiento, como el suroeste de los Estados Unidos. Los sistemas de almacenamiento de energía térmica como la pequeña planta termosolar española de Gemasolar pueden mejorar la compatibilidad entre el suministro de energía solar y el consumo local. El factor de capacidad mejorado que usa el almacenamiento térmico representa una disminución en la capacidad máxima y extiende el tiempo total en que el sistema genera energía.

Energía eólica

Producción mensual del parque eólico de Erie Shores durante un período de dos años

Un parque eólico en Muppandal, Tamil Nadu, India

Durante todo el año, más del 20 por ciento de la electricidad de Dakota del Sur se genera a partir de la energía eólica.

La energía generada por el viento es un recurso variable, y la cantidad de electricidad producida en un punto dado en el tiempo 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 (menos de aproximadamente 2.5 m /s) las turbinas eólicas no podrán generar electricidad, y si es demasiado alta (más de aproximadamente 25 m/s) las turbinas deberán apagarse para evitar daños. Mientras que la salida de una sola turbina puede variar mucho y rápidamente a medida que las velocidades del viento local varían, a medida que más turbinas se conectan en áreas cada vez más grandes, la potencia de salida promedio se vuelve menos variable.

• Intermitencia: las regiones más pequeñas que la escala sinóptica (el tamaño de un país promedio) tienen principalmente el mismo clima y, por lo tanto, alrededor de la misma potencia 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. Sin embargo, esto rara vez es el caso de áreas más pequeñas con geografía uniforme como Irlanda, Escocia y Dinamarca, que tienen varios días al año con poca energía eólica.
• Factor de capacidad: la energía eólica normalmente tiene un factor de capacidad de 20-40%.
• Capacidad de envío: la energía eólica es "altamente no despachable". MISO, que opera una gran parte de la red de EE.UU., tiene más de 13,000 MW de energía eólica bajo su control y es capaz de gestionar esta gran cantidad de energía eólica operándola como recursos intermitentes despachables.
• Crédito de capacidad: a bajos niveles de penetración, el crédito de capacidad del viento es aproximadamente el mismo que el factor de capacidad. A medida que aumenta la concentración de energía eólica en la red, el porcentaje del crédito de capacidad disminuye.
• Variabilidad: Dependiente del sitio. Las brisas marinas son mucho más constantes que las brisas terrestres. La variabilidad estacional puede reducir la producción en un 50%
• 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 las tormentas (esto último requiere paradas). Es poco probable que un parque eólico típico tenga que apagarse en menos de media hora en el extremo, mientras que una central eléctrica de tamaño equivalente puede fallar de forma totalmente instantánea y sin previo aviso. El cierre total de los aerogeneradores es predecible a través del pronóstico del tiempo. La disponibilidad promedio de un aerogenerador es del 98%, y cuando un aerogenerador falla o se apaga por mantenimiento, solo afecta a un pequeño porcentaje de la producción de un gran parque eólico.
• Predictibilidad: aunque el viento es variable, también es predecible a corto plazo. Hay un 80% de probabilidad de que la producción de viento cambie menos del 10% en una hora y un 40% de probabilidad de que cambie el 10% o más en 5 horas. La previsibilidad aumenta a medida que las previsiones meteorológicas mejoran.

De acuerdo con un estudio de 2007 sobre el viento en los Estados Unidos, se podría confiar en diez parques eólicos más ampliamente separados conectados a través de la red, del 33 al 47% de su producción promedio (15-20% de la capacidad nominal) como confiable, siempre que se cumplan los criterios mínimos de velocidad del viento y altura de la turbina. Al calcular la capacidad de generación disponible para satisfacer la demanda máxima de verano, ERCOT (administra la red de Texas) cuenta la generación eólica con el 8.7% de la capacidad de la placa de identificación.

El viento genera aproximadamente el 16% (EWEA - 2011 European Statistics, febrero de 2012) de la energía eléctrica en España y Portugal, 9% en Irlanda, y 7% en Alemania. Wind proporciona alrededor del 40% de la electricidad anual generada en Dinamarca (un 20% más que en 2005); para alcanzar este porcentaje, Dinamarca exporta excedentes e importaciones durante fallas hacia y desde la red de la UE, particularmente Norwegian Hydro, para equilibrar la oferta con la demanda.

Debido a que la energía eólica es generada por un gran número de pequeños generadores, las fallas individuales no tienen un gran impacto en las redes eléctricas. Esta característica del viento ha sido referida como resiliencia.

La energía del viento se ve afectada por la temperatura del aire porque el aire más frío es más denso y, por lo tanto, más efectivo para producir energía eólica. Como resultado, la energía eólica se ve afectada estacionalmente (más producción en invierno que en verano) y por las variaciones de temperatura diarias. Durante la emisión de ola de calor de California en 2006, la energía eólica en California disminuyó significativamente a un promedio del 4% de la capacidad durante siete días. Un resultado similar se vio durante la ola de calor en Europa en 2003, cuando la producción de energía eólica en Francia, Alemania y España cayó por debajo del 10% durante los momentos de mayor demanda. Las olas de calor son causadas parcialmente por grandes cantidades de radiación solar.

Cinco días de producción por hora de cinco parques eólicos en Ontario

Según un artículo en EnergyPulse, "el desarrollo y la expansión de mercados diurnos y en tiempo real que funcionen bien proporcionarán un medio eficaz para hacer frente a la variabilidad de la generación eólica".

La energía nuclear

Varios autores han dicho que ningún recurso energético es totalmente confiable. Amory Lovins dice que las plantas de energía nuclear son intermitentes en el sentido de que algunas veces fallarán inesperadamente, a menudo durante largos períodos de tiempo. Por ejemplo, en los Estados Unidos, se construyeron 132 plantas nucleares, y el 21% se cerró de manera permanente y prematura debido a problemas de confiabilidad o costo, mientras que otro 27% fracasó por lo menos una vez por un año o más. Las restantes plantas nucleares de los EE. UU. producen aproximadamente el 90% de su potencial de carga completa a tiempo completo, pero incluso deben cerrar (en promedio) durante 39 días cada 17 meses para el reabastecimiento y mantenimiento programado. Para hacer frente a esa intermitencia de las centrales nucleares (y centralizadas con combustibles fósiles), las empresas de servicios públicos instalan un "margen de reserva" de aproximadamente un 15% de capacidad adicional para su uso inmediato.

Resolviendo la intermitencia

La penetración de las energías renovables intermitentes en la mayoría de las redes eléctricas es baja, la producción mundial de electricidad en 2014 fue suministrada por un 3,1% de energía eólica y un 1% de energía solar. El viento genera aproximadamente el 16% de la energía eléctrica en España y Portugal, 15,3% en Irlanda, y el 7% en Alemania. Para 2014, el viento proporcionaba el 39% de la electricidad generada en Dinamarca. Para operar con este nivel de penetración, Dinamarca exporta excedentes e importaciones durante los déficits hacia y desde los países vecinos, particularmente la energía hidroeléctrica de Noruega, para equilibrar la oferta con la demanda. También utiliza un gran número de estaciones combinadas de calor y energía (CHP) que pueden ajustar rápidamente la salida.

La intermitencia y la variabilidad de las fuentes de energía renovable pueden reducirse y adaptarse diversificando su tipo de tecnología y ubicación geográfica, pronosticando su variación e integrándolas con energías renovables despachables (como la energía hidroeléctrica, la energía geotérmica y la biomasa). Combinar esto con el almacenamiento de energía y la respuesta a la demanda puede crear un sistema de energía que pueda satisfacer de manera confiable la demanda de energía en tiempo real. La integración de niveles cada vez más altos de energías renovables ya se ha demostrado con éxito:

En 2009, ocho autoridades estadounidenses y tres europeas, que escribieron en el diario profesional de los principales ingenieros eléctricos, no encontraron "un límite técnico creíble y firme para la cantidad de energía eólica que puede albergar la red eléctrica". De hecho, ni uno de los más de 200 estudios internacionales, ni los estudios oficiales para las regiones del este y oeste de los EE. UU., Ni la Agencia Internacional de Energía , han encontrado costos o barreras técnicas importantes para integrar de manera confiable hasta el 30% de suministros renovables variables en la red, Y en algunos estudios mucho más.

Un grupo de investigación en la Universidad de Harvard cuantificó los límites definidos meteorológicamente para reducir la variabilidad de los resultados de un sistema de parques eólicos acoplados en el centro de los Estados Unidos:

El problema con la salida de un solo parque eólico ubicado en cualquier región en particular es que es variable en escalas de tiempo que van desde minutos hasta días, lo que plantea dificultades para incorporar salidas relevantes en un sistema de energía integrado. La variabilidad de alta frecuencia (más corta que una vez por día) de las contribuciones de los parques eólicos individuales está determinada principalmente por la capa límite de pequeña escala generada localmente. La variabilidad de baja frecuencia (más de una vez por día) se asocia con el paso de ondas transitorias en la atmósfera con una escala de tiempo característica de varios días. La variabilidad de alta frecuencia de la energía generada por el viento se puede reducir significativamente al acoplar salidas de 5 a 10 parques eólicos distribuidos uniformemente en una región de diez estados de los EE. UU. Centrales. Más del 95% de la variabilidad restante del sistema acoplado se concentra en escalas de tiempo más largas que un día, lo que permite a los operadores aprovechar los pronósticos meteorológicos de varios días para programar las contribuciones proyectadas del viento.

Mark Z. Jacobson ha estudiado cómo pueden integrarse las tecnologías eólica, hidráulica y eólica para satisfacer la mayoría de las necesidades energéticas del mundo. Aboga por una "combinación inteligente" de fuentes de energía renovables para satisfacer de manera confiable la demanda de electricidad:

Debido a que el viento sopla en condiciones tormentosas cuando el sol no brilla y el sol a menudo brilla en días tranquilos con poco viento, la combinación del viento y la energía solar puede contribuir en gran medida a satisfacer la demanda, especialmente cuando la energía geotérmica proporciona una base estable y se puede llamar hidroeléctrica para llenar los huecos.

Mark A. Delucchi y Mark Z. Jacobson argumentan que existen al menos siete formas de diseñar y operar sistemas de energía renovable para que satisfagan de manera confiable la demanda de electricidad:

Existen soluciones tecnológicas para mitigar la intermitencia a gran escala del tipo de energía eólica, como el aumento de la interconexión (la súper red europea ), la respuesta a la demanda , la gestión de la carga , los generadores diésel (en los esquemas de tipo de la Red Nacional Británica , la Respuesta en Frecuencia/el Servicio Nacional de Reserva de la Red y el uso de las centrales eléctricas existentes en espera. Los estudios realizados por académicos y operadores de redes indican que se espera que el costo de la compensación de la intermitencia sea alto en niveles de penetración por encima de los niveles bajos actualmente en uso. Las redes eléctricas grandes y distribuidas pueden lidiar mejor Con altos niveles de penetración que las rejillas pequeñas y aisladas. Para una hipotética red eléctrica a nivel europeo, el análisis ha demostrado que los niveles de penetración de energía eólica tan altos como el 70% son viables, y que el costo de las líneas de transmisión adicionales sería solo alrededor del 10% del costo de la turbina, lo que arroja una potencia en torno a los precios actuales. Las rejillas más pequeñas pueden ser menos tolerantes a altos niveles de penetración.

No es un problema específico de las fuentes de energía intermitentes que se ajusten a la demanda de energía. Las redes eléctricas existentes ya contienen elementos de incertidumbre que incluyen cambios repentinos y grandes en la demanda y fallas imprevistas en las centrales eléctricas. Aunque las redes eléctricas ya están diseñadas para tener una capacidad superior a la demanda pico proyectada para hacer frente a estos problemas, es posible que se requieran actualizaciones significativas para acomodar grandes cantidades de energía intermitente. La Agencia Internacional de Energía (AIE) declara: "En el caso de la energía eólica, la reserva operativa es la reserva de generación adicional necesaria para garantizar que se puedan cumplir las diferencias entre el pronóstico y los volúmenes reales de generación y demanda. Una vez más, hay que señalar que ya hay cantidades importantes de esta reserva operando en la red debido a las exigencias generales de seguridad y calidad de la red. El viento impone demandas adicionales solo en la medida en que aumenta la variabilidad y la imprevisibilidad. Sin embargo, estos factores no son completamente nuevos para los operadores de sistemas. Al agregar otra variable, la energía eólica cambia el grado de incertidumbre, pero no el tipo..."

Con suficiente almacenamiento de energía, las fuentes altamente variables e intermitentes pueden suministrar energía eléctrica a todas las regiones. Para que la energía solar proporcione la mitad de toda la electricidad y utilice un factor de capacidad solar del 20%, la capacidad total de energía solar sería del 250% de la carga diaria promedio de las redes. Para que el viento proporcione la mitad de toda la electricidad y utilizando un factor de capacidad eólica del 30%, la capacidad total para el viento sería el 160% de la carga diaria promedio de las redes.

Una instalación de almacenamiento por bombeo entonces almacenaría suficiente agua para la carga semanal de las redes, con una capacidad para la demanda máxima, es decir: 200% del promedio de la red. Esto permitiría una semana de condiciones nubladas y sin viento. Hay costos inusuales asociados con el almacenamiento del edificio y la capacidad de generación total es seis veces el promedio de la red.

Compensando la variabilidad

Todas las fuentes de energía eléctrica tienen un cierto grado de variabilidad, al igual que los patrones de demanda que rutinariamente generan grandes oscilaciones en la cantidad de electricidad que los proveedores alimentan a la red. Siempre que sea posible, los procedimientos de operaciones de la red están diseñados para que coincida con la oferta con la demanda en altos niveles de fiabilidad, 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 se puede cumplir mediante el uso de una infraestructura y tecnología de respaldo o extra , utilizando energías renovables mixtas para producir electricidad por encima del promedio intermitente , que se puede usar para satisfacer demandas de suministro regulares y no anticipadas. Además, el almacenamiento de energía para cubrir el déficit intermitente o para emergencias puede ser parte de una fuente de alimentación confiable .

Reserva operacional

Todas las redes administradas ya tienen una reserva operativa y de "giro" para compensar las incertidumbres existentes en la red eléctrica. La adición de recursos intermitentes como el viento no requiere un "respaldo" del 100% porque las reservas operativas y los requisitos de balance se calculan a nivel de todo el sistema y no están dedicados a una planta generadora específica.

• Algunas centrales de carbón, gas o energía hidroeléctrica se cargan parcialmente y luego se controlan para cambiar a medida que cambia la demanda o para reemplazar la generación perdida rápidamente. 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 de hilatura".
• En general, las plantas térmicas que funcionan como plantas de 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 operarse 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 salida para compensar.
• Si bien las bajas penetraciones de potencia intermitente pueden utilizar los niveles existentes de respuesta y reserva de giro, las variaciones generales más grandes a niveles de penetración más altos requerirán reservas adicionales u otros medios de compensación.

Reducción o aumento de la demanda

• La respuesta a la demanda se refiere al uso de dispositivos de comunicación y conmutación que pueden liberar cargas diferibles rápidamente o absorber energía adicional para corregir los desequilibrios entre la oferta y la demanda. Se han creado muchos 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 que los desconecten o comiencen a funcionar en los motores diésel siempre que haya una escasez de capacidad. , o por el contrario, para aumentar la carga cuando hay un excedente.
• Ciertos tipos de control de carga permiten que la compañía eléctrica apague las cargas de forma remota si no hay suficiente energía disponible. En Francia, los grandes usuarios, como el CERN, reducen el consumo de energía según lo requiere el Operador del sistema - EDF, bajo el incentivo de la tarifa EJP.
• La gestión de la demanda de energía se refiere a incentivos para ajustar el uso de la electricidad, como tasas más altas durante las horas pico.
• El precio variable de la electricidad en tiempo real puede animar 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.
• Reducción instantánea de la demanda. La mayoría de los sistemas grandes también tienen una categoría de cargas que se desconectan instantáneamente cuando hay una escasez de generación, bajo algún contrato de beneficio mutuo. Esto puede dar reducciones instantáneas de carga (o incrementos).
• Los generadores diesel, originalmente o principalmente instalados para suministro de energía de emergencia, a menudo también están conectados a National Grid en el Reino Unido para ayudar a lidiar con los desajustes en el suministro de la demanda a corto plazo.

Almacenamiento y carga de la demanda

En momentos de baja carga donde la salida no despachable del viento y la energía solar puede ser alta, la estabilidad de la red requiere reducir la salida de varias fuentes de generación despachables o incluso aumentar las cargas controlables, posiblemente utilizando el almacenamiento de energía para cambiar la salida de tiempo a tiempos de mayor demanda . Tales 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 de energía hidroeléctrica adecuados para el almacenamiento variará de una red a otra. La eficiencia típica de ida y vuelta es del 80%.
• 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 un almacenamiento de electricidad funcional a costos comparativamente bajos.
• Almacenamiento de hielo aire acondicionado El hielo se puede almacenar entre temporadas y se puede utilizar como fuente de aire acondicionado durante períodos de gran demanda. Los sistemas actuales solo necesitan almacenar hielo durante algunas horas, pero están bien desarrollados.
• El hidrógeno se puede crear a través de la electrólisis y almacenarse para su uso posterior. NREL descubrió que se podría producir un kilogramo de hidrógeno (aproximadamente equivalente a un galón de gasolina) por entre US $ 5.55 en el corto plazo y $ 2.27 en el largo plazo.
• Las baterías de flujo recargables pueden servir como un medio de almacenamiento de gran capacidad y respuesta rápida.
• Las baterías tradicionales de iones de litio tienen una gran huella ambiental, pero las nuevas tecnologías, como las baterías que respiran aire, podrían proporcionar una solución respetuosa con el medio ambiente para el almacenamiento de energía renovable.
• Algunas cargas, como plantas de desalinización, calderas eléctricas y unidades de refrigeración industrial, pueden almacenar su producción (agua y calor). Estas "cargas oportunistas" pueden aprovechar la "explosión de electricidad" cuando está disponible.
• Se están considerando otras aplicaciones potenciales, como cargar vehículos eléctricos enchufables durante períodos de baja demanda y alta producción; tales tecnologías no son ampliamente utilizadas en este momento.

El almacenamiento de energía eléctrica genera cierta pérdida de energía porque el almacenamiento y la recuperación no son perfectamente eficientes. El almacenamiento también puede requerir una inversión sustancial de capital y espacio para las instalaciones de almacenamiento.

Diversidad geográfica

La variabilidad de la producción de un solo aerogenerador puede ser alta. La combinación de cualquier número adicional de turbinas (por ejemplo, en un parque eólico) da como resultado una variación estadística menor, 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 en beneficio de esta diversidad geográfica para cualquier sistema de energía.

Múltiples parques eólicos distribuidos en una amplia área geográfica y en cuadrícula producen energía de forma más constante y con menos variabilidad que las instalaciones más pequeñas. La producción eólica se puede predecir con cierto grado de confianza usando pronósticos meteorológicos, especialmente de un gran número de turbinas / granjas. Se espera que la capacidad de predecir la producción de viento aumente con el tiempo a medida que se recopilen los datos, especialmente en las instalaciones más nuevas.

Fuentes de alimentación complementarias y soporte de la demanda

En el pasado, la generación eléctrica era en su mayoría despachable y la demanda de los consumidores llevaba cuánto y cuándo despachar energía. La tendencia de agregar fuentes intermitentes como la energía eólica, solar y hidroeléctrica de pasada significa que la red está comenzando a ser liderada por el suministro intermitente. El uso de fuentes intermitentes se basa en las redes de energía eléctrica que se administran cuidadosamente, por ejemplo, mediante el uso de una generación altamente despachable que puede apagarse cada vez que una fuente intermitente comienza a generar energía y se inicia con éxito sin avisar cuando los intermitentes dejan de generar. Idealmente, la capacidad de los intermitentes crecería a ser mayor que la demanda de los consumidores por períodos de tiempo, creando un exceso de electricidad a bajo precio para desplazar los combustibles de calefacción o convertirlos en almacenamiento mecánico o químico para su uso posterior.

La generación despachable desplazada podría ser carbón, gas natural, biomasa, nuclear, geotérmica o hidroeléctrica de almacenamiento. En lugar de iniciar y detener la energía nuclear o geotérmica, es más barato utilizarlos como potencia de carga base constante. Cualquier potencia generada que exceda la demanda puede desplazar los combustibles de calefacción, convertirse en almacenamiento o venderse a otra red. Los biocombustibles y las centrales hidroeléctricas convencionales se pueden guardar para más adelante, cuando los intermitentes no generan energía. Las alternativas a la quema de carbón y gas natural que producen menos gases de efecto invernadero pueden eventualmente hacer que los combustibles fósiles se conviertan en un activo perdido que queda en el suelo. Las redes altamente integradas favorecen la flexibilidad y el rendimiento sobre el costo, lo que da como resultado más plantas que operan durante menos horas y menores factores de capacidad.

• 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 días claros con menos viento. Además, la energía eólica a menudo tiene 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 despachable.
• En algunos lugares, la demanda de electricidad puede tener una alta correlación con la salida del viento, particularmente en lugares donde las temperaturas frías impulsan el consumo eléctrico (ya que el aire frío es más denso y lleva más energía).
• La generación de electricidad solar intermitente tiene una correlación directa donde el clima cálido y soleado genera altas demandas de enfriamiento. Esta es una relación ideal entre energía intermitente y demanda.
• La penetración permitida se puede aumentar con una mayor inversión en la generación en espera. Por ejemplo, algunos días podrían producir un 80% de viento intermitente y, en los muchos días sin viento, sustituir el 80% de la energía despachable, como el gas natural, la biomasa y la hidroelectricidad.
• 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 la energía hidroeléctrica, e Hydro-Québec es el mayor productor de energía hidroeléctrica del mundo. El Noroeste del Pacífico de EE. UU. se ha identificado como otra región donde la energía eólica se complementa bien con la energía hidroeléctrica existente, y no existían "barreras técnicas fundamentales" para integrar hasta 6.000   MW de potencia eólica. La capacidad de almacenamiento en las instalaciones hidroeléctricas estará limitada por el tamaño del reservorio y las consideraciones ambientales y de otro tipo.
• El Instituto para la Tecnología de Suministro de Energía Solar de la Universidad de Kassel, Alemania , realizó una prueba piloto de una planta de energía combinada que vincula la energía solar, eólica, biogás e hidrostorage para proporcionar energía de seguimiento de carga durante todo el día, totalmente de fuentes renovables.

Acuerdos de exportación e importación con sistemas vecinos

• A menudo es factible exportar energía a las redes vecinas en momentos de excedentes e importar energía cuando sea necesario. Esta práctica es común en Europa occidental y América del Norte.
• La integración con otras redes puede disminuir la concentración efectiva de potencia variable. La penetración del 44% de Dinamarca, en el contexto de las redes alemanas / holandesas / escandinavas con las que tiene interconexiones, es considerablemente más baja como proporción del sistema total.
• La integración de las redes puede disminuir la variabilidad general de la oferta y la demanda al aumentar la diversidad geográfica.
• Los métodos para compensar la variabilidad de la energía en una red, como las plantas de picos o la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo, pueden aprovecharse al importar energía variable de otra red que carezca de tales capacidades.
• Es posible que la capacidad de la infraestructura de transmisión de energía deba actualizarse sustancialmente para admitir los planes de exportación / importación.
• Se pierde algo de energía en la transmisión.
• El valor económico de exportar energía variable depende en parte de la capacidad de la red de exportación para proporcionar a la red de importación energía útil en momentos útiles a un precio atractivo.

Penetración

La penetración se refiere a la proporción de una fuente de energía primaria (PE) en un sistema de energía eléctrica, expresada como un porcentaje. Existen varios métodos de cálculo que producen diferentes penetraciones. La penetración se puede calcular como:

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 este período.

El nivel de penetración de fuentes variables intermitentes es significativo por las siguientes razones:

• Las redes de energía con cantidades significativas de despachable bombeado de almacenamiento , la energía hidroeléctrica con depósito o pondage u otras plantas de energía en horas pico , tales como plantas de energía de gas natural son capaces de acomodar las fluctuaciones de energía intermitente más fácilmente.
• Los sistemas de energía eléctrica relativamente pequeños sin una fuerte interconexión solo pueden ser estables y económicos con una fracción más baja de energía eólica (por ejemplo, Irlanda), aunque los sistemas híbridos eólico / diesel y solar / diesel se han utilizado en comunidades aisladas con éxito a niveles de penetración relativamente altos.

El suministro de electricidad renovable en el rango de penetración del 20-50% ya se ha implementado en varios sistemas europeos, aunque en el contexto de un sistema de red europeo integrado:

En 2010, cuatro estados alemanes, con un total de 10 millones de personas, confiaron en la energía eólica para el 43-52% de sus necesidades anuales de electricidad. Dinamarca no se queda atrás, ya que suministra el 22% de su energía del viento en 2010 (26% en un año de viento promedio). La región de Extremadura de España está obteniendo hasta un 25% de su electricidad de la energía solar, mientras que todo el país satisface el 16% de su demanda de energía eólica. Solo durante 2005-2010, Portugal saltó del 17% al 45% de electricidad renovable.

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 de las cifras de penetración aceptables o inaceptables se debe tratar y usar 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; por ejemplo, un estudio del Reino Unido encontró que "está claro que la generación intermitente no debe comprometer la confiabilidad del sistema eléctrico en ningún nivel de penetración previsible en Gran Bretaña durante los próximos 20 años, aunque puede aumentar los costos".

Límites máximos de penetración

No existe una penetración máxima generalmente aceptada de la energía eólica que sería factible en una red determinada. Más bien, es más probable que las consideraciones de eficiencia económica y costo dominen como factores críticos; Las soluciones técnicas pueden permitir que se consideren niveles de penetración más altos en el futuro, particularmente si las consideraciones de costo son secundarias.

Los escenarios de alta penetración pueden ser factibles en ciertas circunstancias:

• La generación de energía por períodos de poca o ninguna generación eólica puede proporcionarse mediante el mantenimiento de las centrales eléctricas existentes. El costo de usar 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 estación de energía inactiva, pero utilizable a corto plazo, puede estimarse a partir de los esparcimientos de defernciales publicados y los tramos oscuros. A medida que la planta tradicional existente envejece, el costo de reemplazar o remodelar estas instalaciones se convertirá en parte del costo de alta penetración si se usan solo para proporcionar una reserva operacional.
• La reducción automática de la carga de grandes cargas industriales y su posterior reconexión automática es una tecnología establecida y se utiliza en el Reino Unido y los 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 del Servicio de Reserva ofrecen turbinas de gas de respuesta rápida e incluso motores diesel más rápidos en el Reino Unido, Francia y Estados Unidos para controlar la estabilidad de la red.
• En un escenario de cerca del 100% del viento, se puede permitir la energía eólica excedente aumentando los niveles de los esquemas existentes de Servicio de Reserva y Frecuencia y extendiendo el esquema a cargas de tamaño nacional. La energía se puede almacenar haciendo avanzar las 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.
• De forma alternativa o adicional, la energía se puede exportar a las redes vecinas y volver a importar más tarde. Los cables HVDC son eficientes con un 3% de pérdida por 1000 km y puede ser barato en ciertas circunstancias. Por ejemplo, un enlace de 8 GW del Reino Unido a Francia costaría alrededor de £ 1 000 millones utilizando cables de corriente continua de alta tensión. Bajo tales escenarios, la cantidad de capacidad de transmisión requerida puede ser muchas veces mayor que la disponible actualmente.

Estudios de penetración

Se han realizado estudios para evaluar la viabilidad de los niveles de penetración específicos en mercados energéticos específicos.

Super red europea

Una serie de estudios detallados de modelos realizados por el Dr. Gregor Czisch, que analizaron la adopción a nivel europeo de las redes de energía renovable y de interconexión de la red eléctrica superior con cables HVDC , indica que todo el uso de energía en Europa podría provenir de fuentes renovables, con un 70% en total. Energía del viento a los mismos costos o más bajos que en la actualidad. Esta gran red eléctrica europea propuesta se ha denominado "súper red".

El modelo trata los problemas de energía intermitente mediante el uso de energías renovables de carga base, como la hidroeléctrica y la biomasa, para una parte sustancial del 30% restante y el uso intensivo de HVDC para cambiar la energía de las áreas con viento a las áreas sin viento. El informe afirma que "el transporte de electricidad demuestra ser una de las claves para un suministro económico de electricidad" y subraya la importancia de la "cooperación internacional en el campo del uso de energía renovable [y] la transmisión".

El Dr. Czisch describió el concepto en una entrevista y dijo: "Por ejemplo, si analizamos la energía eólica en Europa. Tenemos una región de vientos invernales donde la producción máxima es en invierno y en la región del Sahara en el norte de África, la producción de vientos más alta se produce en verano y, si combina ambas, se acercará bastante a las necesidades de las personas que viven en toda la zona - digamos desde el norte de Rusia hasta la parte sur del Sahara ".

Estudio de redes en Irlanda

Un estudio de la red en Irlanda indica que sería factible acomodar el 42% (de la demanda) de energías renovables en el mix de electricidad. Este nivel aceptable de penetración de renovables se encontró en lo que el estudio denominó Escenario 5, que proporcionó el 47% de la capacidad eléctrica (diferente de la demanda) con la siguiente combinación de energías renovables:

• 6.000 MW eólicos
• Renovables de carga base de 360 MW.
• Renovables variables adicionales de 285 MW (otras fuentes intermitentes)

El estudio advierte que se hicieron varias suposiciones de que "puede haber subestimado las restricciones de despacho, lo que se traduce en una subestimación de los costos operacionales, la reducción del viento requerida y las emisiones de CO₂" y que "Las limitaciones del estudio pueden exagerar la viabilidad técnica de las carteras analizadas... "

El Escenario 6, en el que se propusieron energías renovables con un 59% de capacidad eléctrica y un 54% de demanda, tuvo problemas. El escenario 6 propuso la siguiente combinación de energías renovables:

• 8,000 MW eólicos
• Renovables de carga base de 392 MW.
• 1,685 MW renovables variables adicionales (otras fuentes intermitentes)

El estudio encontró que para el Escenario 6, "ocurrió un número significativo de horas caracterizado por situaciones extremas del sistema donde no se pudieron cumplir los requisitos de carga y reserva. Los resultados del estudio de la red indicaron que para tales escenarios extremos de penetración renovable, se requiere un nuevo diseño del sistema, en lugar de un ejercicio de refuerzo". El estudio se negó a analizar la eficacia en función de los costos de los cambios requeridos porque "la determinación de los costos y los beneficios se había vuelto extremadamente dependiente de los supuestos" y esta incertidumbre habría afectado la solidez de los resultados.

Canadá

Un estudio publicado en octubre de 2006 por el Operador Independiente del Sistema Eléctrico de Ontario (IESO) encontró que "habría un impacto mínimo en la operación del sistema para niveles de capacidad eólica de hasta 5,000 MW ", que corresponde a una penetración máxima del 17%

Dinamarca

En un análisis de noviembre de 2006, se encontró que "la energía eólica puede cubrir más del 50% del consumo de electricidad danés en 2025" en condiciones de altos precios del petróleo y mayores costos por los permisos de CO₂. Las dos redes de Dinamarca (que cubren el oeste de Dinamarca y el este de Dinamarca por separado) incorporan interconectores de alta capacidad a las redes vecinas donde se absorben algunas de las variaciones del viento. En 2012, el gobierno danés adoptó un plan para aumentar la participación de la producción eléctrica a partir del viento hasta el 50% para 2020, y el 84% en 2035.

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, incluyendo, por ejemplo, el costo de cualquier capacidad de transmisión o capacidad de reserva necesaria 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, la emisión de gases de efecto invernadero y la destrucción del hábitat, que generalmente no se tienen en cuenta directamente. La magnitud de los impactos económicos se discute y variará según la ubicación, pero se espera que aumente con los niveles de penetración más altos. A bajos niveles de penetración, los costos como la reserva de operación y los costos de balance se consideran insignificantes.

La intermitencia puede introducir costos adicionales que son distintos o de una magnitud diferente a la 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 de carbón y nuclear debido a los menores factores de carga. La capacidad de transmisión generalmente se dimensionará para la producción máxima proyectada, pero la capacidad promedio para el viento será significativamente menor, lo que elevará el costo por unidad de energía realmente transmitida. Sin embargo, los costos de transmisión son una fracción baja de los costos totales de energía.
• Reserva de operación adicional: si el viento adicional no se corresponde con los patrones de demanda, puede requerirse una reserva de operación adicional en comparación con otros tipos de generación, sin embargo, esto no resulta en costos de capital más altos para plantas adicionales, ya que se trata simplemente de plantas existentes que funcionan a baja producción. reserva. Contrariamente a las afirmaciones de que todo 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 salida durante los períodos pico". La capacidad de respaldo no se atribuye a los generadores individuales, ya que el respaldo o la reserva de operación "solo tienen un significado a nivel del sistema".
• 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 de la capacidad de otras fuentes para aumentar o disminuir la producción. En general, se ha encontrado que los costos de equilibrio son bajos.
• Almacenamiento, exportación y gestión de carga: a altas penetraciones (más del 30%), se pueden requerir soluciones (descritas a continuación) para lidiar con la alta producción de viento durante períodos de baja demanda. Estos pueden requerir gastos de capital adicionales, o dar como resultado ingresos marginales más bajos para los productores eólicos.

Intermitencia y energías renovables

Existen diferentes puntos de vista sobre algunas fuentes de energía renovable e intermitencia. La Asociación Nuclear Mundial argumenta que el sol, el viento, las mareas y las olas no pueden controlarse para proporcionar directamente potencia de carga base continua o potencia de carga máxima cuando es necesario. Los defensores del uso de la energía renovable argumentan que el tema de la intermitencia de las energías renovables está sobredimensionado, y que la experiencia práctica lo demuestra. En cualquier caso, la energía renovable geotérmica no tiene intermitencia, como la nuclear (pero ambas utilizan la energía en materiales radiactivos como el uranio, el torio y el potasio).

Opiniones de críticos del uso de energías renovables de alta penetración

Durante muchos años hubo un consenso dentro de las empresas de servicios eléctricos en los EE. UU. de que los generadores de electricidad renovable como el viento y la energía solar son tan poco confiables e intermitentes que nunca podrán contribuir de manera significativa al suministro eléctrico ni a proporcionar energía de carga básica. Thomas Petersnik, un analista de la Administración de Información de Energía de EE. UU. lo expresó de esta manera: "en general, las fuentes de energía renovable son demasiado raras, demasiado lejanas, inciertas y demasiado inoportunas para proporcionar suministros significativos en momentos y lugares de necesidad" .

De acuerdo con un artículo de investigación de colaboración transatlántica en la tasa de retorno energético (TRE) llevada a cabo por los analistas 6 y dirigido por D. Weißbach, como se publicó en la revisión por pares revista Energía en 2013. El EROEI no corregido por su intermitencia ("sin búfer") para cada fuente de energía analizada es como se muestra en la tabla adjunta a la derecha, mientras que el EROEI amortiguado (corregido por su intermitencia) se indica en el documento para todos los bajos niveles de carbono Las fuentes de energía , con la excepción de la energía nuclear y la biomasa, fueron aún más bajas. Al ser corregido por su intermitencia climática / "amortiguado", las cifras de EROEI para las fuentes de energía intermitentes como se indica en el documento disminuyen, una reducción de EROEI que depende de su dependencia en las fuentes de energía de respaldo .

Opiniones de los defensores del uso de energía renovable de alta penetración

El presidente de la Comisión Federal Reguladora de Energía (FERC) de los EE. UU., Jon Wellinghoff, declaró que "la capacidad de carga de base se convertirá en un anacronismo" y que en los Estados Unidos nunca se necesitarán nuevas centrales nucleares o de carbón. Algunas fuentes de electricidad renovables tienen una variabilidad idéntica a la de las centrales eléctricas de carbón , por lo que son de carga base , y pueden integrarse en el sistema de suministro de electricidad sin ningún respaldo adicional. Ejemplos incluyen:

• Bioenergía , basada en la combustión de cultivos y residuos de cultivos, o su gasificación seguida de la combustión del gas.
• La generación geotérmica de roca seca caliente , que se está desarrollando en Australia y los Estados Unidos .
• Electricidad solar térmica, con almacenamiento de calor durante la noche en sal fundida, agua o rocas.

Los operadores de redes en países como Dinamarca y España ahora integran grandes cantidades de energía renovable en sus redes eléctricas, y Dinamarca recibe el 40% de su electricidad de energía eólica durante algunos meses.

Los partidarios dicen que la electricidad total generada a partir de una gran variedad de parques eólicos dispersos, ubicados en diferentes regímenes de viento, no se puede describir con precisión como intermitente, ya que no se inicia ni se apaga instantáneamente a intervalos irregulares. Con una pequeña cantidad de planta de carga máxima complementaria, que funciona con poca frecuencia, la energía eólica distribuida a gran escala puede sustituir a cierta potencia de carga base y ser igualmente confiable.

La energía hidroeléctrica puede ser intermitente y / o despachable, dependiendo de la configuración de la planta. Las centrales hidroeléctricas típicas en la configuración de la presa pueden tener una capacidad de almacenamiento sustancial y ser consideradas despachables. Por lo general, la generación hidroeléctrica del río tendrá una capacidad de almacenamiento limitada o nula, y será variable en forma estacional o anual (dependiendo de la lluvia y el derretimiento de la nieve).

Amory Lovins sugiere algunas estrategias básicas para enfrentar estos problemas:

Además, el uso eficiente de la energía y las medidas de conservación de la energía pueden reducir de manera confiable la demanda de electricidad de carga base y carga máxima.

Los métodos para gestionar la integración de la energía eólica van desde los que se utilizan comúnmente en la actualidad (por ejemplo, la gestión de la demanda ) hasta las nuevas tecnologías potenciales para el almacenamiento de energía de la red . El pronóstico mejorado también puede contribuir ya que las variaciones diarias y estacionales en las fuentes eólicas y solares son, hasta cierto punto, predecibles. El Instituto Pembina y el estado del Fondo Mundial para la Naturaleza en el plan Renovable es posible que la resiliencia sea una característica de la energía renovable:

Véase también

En inglés: Intermittent energy source Facts for Kids

• Almacén de energía
• Bomba de calor geotérmica
• Corriente continua de alto voltaje (HVDC)
• Lista de cortes de energía
• Apagón noreste de 2003
• Energía eléctrica trifásica
• Red inteligente y V2G para anular la intermitencia.