Fuente de energía intermitente para niños

Una fuente de energía intermitente es un tipo de energía que no siempre está disponible para producir electricidad de forma constante. Esto ocurre porque la fuente de energía principal, como el sol o el viento, no se puede almacenar directamente.

Las fuentes de energía intermitentes pueden ser predecibles, pero no siempre pueden ajustarse para satisfacer la demanda de electricidad en un momento específico. Cuando se usan estas fuentes, a menudo reemplazan la energía que se obtendría de otras centrales eléctricas que sí pueden almacenar su energía.

Otra opción es guardar la electricidad generada por estas fuentes para usarla más tarde. Esto se puede hacer, por ejemplo, con plantas hidroeléctricas de bombeo, aire comprimido o baterías. También se puede usar la electricidad para otros fines, como calentar agua para sistemas de calefacción urbana.

Usar pequeñas cantidades de energía intermitente no afecta mucho a la red eléctrica. Sin embargo, si se usan grandes cantidades, puede ser necesario mejorar o incluso rediseñar la infraestructura de la red.

Conceptos Clave de la Energía Intermitente

Para entender mejor las fuentes de energía intermitentes, es útil conocer algunos términos importantes. Estos términos no siempre se usan de la misma manera, pero aquí te explicamos los más comunes:

• Intermitencia: Se refiere a cuando una fuente de energía se detiene o no está disponible sin que se quiera. A menudo se usa como sinónimo de variabilidad, que es cuánto puede cambiar la producción de una fuente de energía.
• Capacidad de ajuste (o maniobrabilidad): Es la habilidad de una fuente de energía para aumentar o disminuir su producción rápidamente cuando se le pide. Esto es diferente de la intermitencia; la capacidad de ajuste es una forma en que los operadores de la red equilibran la oferta (lo que producen las plantas) con la demanda (lo que necesitan los usuarios).
• Penetración: En este contexto, se refiere a la cantidad de energía generada por una fuente específica como porcentaje del consumo total anual de electricidad.
• Potencia nominal (o capacidad de placa): Es la producción máxima que una planta de energía puede generar en condiciones normales. Se mide en vatios (como kW, MW, GW).
• Factor de capacidad: Es la producción promedio esperada de un generador, generalmente durante un año. Se expresa como un porcentaje de la potencia nominal.
• Crédito de capacidad: Es la cantidad de energía de una fuente en la que se puede confiar de forma estadística, es decir, la potencia mínima que puede producir durante un período largo. Se expresa como un porcentaje de la potencia nominal.
• Capacidad firme: La cantidad de energía que se puede garantizar que se entregará de forma constante.
• Capacidad no firme: La cantidad de energía por encima de la capacidad firme, que a menudo se vende a un precio más alto en el mercado.

Cómo Varían las Diferentes Fuentes de Energía

Cada tipo de fuente de energía tiene su propia forma de variar.

Energía Solar

Plato Stirling, un tipo de concentrador solar.

Variación estacional de la producción de paneles solares en el parque de AT&T en San Francisco.

La energía solar es intermitente por naturaleza, ya que su producción depende de la cantidad de luz solar en un lugar y momento específicos. La producción solar cambia a lo largo del día y las estaciones. También se ve afectada por el polvo, la niebla, las nubes, las heladas o la nieve. Muchos de estos factores estacionales son bastante predecibles. Algunos sistemas de energía solar térmica usan almacenamiento de calor para producir energía durante todo el día.

• Intermitencia: Si no hay un sistema de almacenamiento, la energía solar no produce electricidad durante la noche o con mal tiempo. También varía entre el verano y el invierno.
• Factor de capacidad: Para la energía solar fotovoltaica, puede ser del 12-15% en lugares como Massachusetts y del 19% en Arizona. Las plantas solares térmicas con almacenamiento pueden alcanzar factores de capacidad mucho más altos, como el 56% para un concentrador solar parabólico o el 73% para una torre de energía solar térmica.

El impacto de la intermitencia de la energía solar depende de cómo se relaciona su producción con la demanda. Por ejemplo, las plantas solares térmicas como Nevada Solar One se adaptan bien a las altas demandas de aire acondicionado en verano en lugares cálidos. Los sistemas de almacenamiento de energía térmica, como la planta española Gemasolar, pueden mejorar la compatibilidad entre la oferta solar y el consumo local. Un mejor factor de capacidad con almacenamiento térmico significa que la planta puede generar energía durante más tiempo.

Energía Eólica

Producción mensual del parque eólico de Erie Shores durante dos años.

Un parque eólico en Muppandal, Tamil Nadu, India.

Durante todo el año, más del 20% de la electricidad de Dakota del Sur se genera con energía eólica.

La energía generada por el viento es variable. La cantidad de electricidad que produce una planta eólica en un momento dado depende de la velocidad del viento, la densidad del aire y las características de la turbina. Si el viento es demasiado lento (menos de 2.5 m/s), las turbinas no generan electricidad. Si es demasiado rápido (más de 25 m/s), las turbinas deben apagarse para evitar daños. Aunque la producción de una sola turbina puede variar mucho y rápidamente, cuando se conectan muchas turbinas en áreas grandes, la producción promedio se vuelve menos variable.

• Intermitencia: En regiones pequeñas, el clima es similar, por lo que la producción eólica es parecida. Sin embargo, en áreas más grandes y diversas, es raro que los parques eólicos dejen de producir energía por completo. Aun así, en lugares pequeños como Irlanda o Dinamarca, puede haber días con poca energía eólica.
• Factor de capacidad: La energía eólica suele tener un factor de capacidad del 20-40%.
• Capacidad de ajuste: La energía eólica es "difícil de ajustar". Sin embargo, operadores de redes grandes, como MISO en EE. UU., logran manejar grandes cantidades de energía eólica tratándolas como recursos intermitentes que se pueden ajustar.
• Crédito de capacidad: Cuando la energía eólica es una pequeña parte de la red, su crédito de capacidad es similar a su factor de capacidad. A medida que aumenta su presencia en la red, el porcentaje del crédito de capacidad disminuye.
• Variabilidad: Depende del lugar. Las brisas marinas son más constantes que las terrestres. La variabilidad estacional puede reducir la producción hasta en un 50%.
• Fiabilidad: Un parque eólico es muy fiable cuando hay viento. Su producción solo cambia gradualmente por la disminución del viento o tormentas. Es poco probable que un parque eólico se apague por completo en menos de media hora, mientras que una central eléctrica tradicional puede fallar de repente. Los cierres totales de aerogeneradores se pueden predecir con el pronóstico del tiempo. La disponibilidad promedio de un aerogenerador es del 98%. Si uno falla, solo afecta un pequeño porcentaje de la producción de un gran parque eólico.
• Predecibilidad: Aunque el viento es variable, es predecible a corto plazo. Hay un 80% de probabilidad de que la producción eólica cambie menos del 10% en una hora. La previsibilidad mejora a medida que los pronósticos meteorológicos son más precisos.

En España y Portugal, el viento genera alrededor del 16% de la electricidad. En Irlanda, el 9%, y en Alemania, el 7%. Dinamarca obtiene cerca del 40% de su electricidad anual del viento. Para lograr esto, Dinamarca exporta el exceso e importa energía cuando le falta, especialmente de la energía hidroeléctrica de Noruega, para equilibrar la oferta y la demanda.

Como la energía eólica es generada por muchos pequeños generadores, las fallas individuales no afectan mucho a las redes eléctricas. Esta característica hace que la energía eólica sea más resistente.

La energía eólica también se ve afectada por la temperatura del aire. El aire frío es más denso y, por lo tanto, más eficiente para producir energía eólica. Por eso, la producción eólica es estacional (más en invierno que en verano) y varía con los cambios diarios de temperatura.

Energía Nuclear (y su variabilidad)

Algunos expertos señalan que ninguna fuente de energía es totalmente fiable. Por ejemplo, las plantas de energía nuclear pueden fallar inesperadamente, a veces por largos períodos. En Estados Unidos, de 132 plantas nucleares construidas, el 21% cerró de forma permanente y anticipada por problemas de fiabilidad o costos. Otro 27% falló al menos una vez por un año o más. Las plantas nucleares restantes en EE. UU. producen alrededor del 90% de su capacidad máxima, pero deben cerrar (en promedio) 39 días cada 17 meses para recargar combustible y realizar mantenimiento. Para manejar esta variabilidad, las empresas eléctricas mantienen una "reserva" de aproximadamente un 15% de capacidad adicional lista para usar.

Soluciones para la Intermitencia

Actualmente, la cantidad de energías renovables intermitentes en la mayoría de las redes eléctricas es baja. En 2014, la energía eólica aportó el 3.1% de la electricidad mundial y la solar el 1%. Sin embargo, en algunos países como España y Portugal, el viento genera alrededor del 16% de la electricidad, en Irlanda el 15.3%, y en Alemania el 7%. Dinamarca obtuvo el 39% de su electricidad del viento en 2014. Para operar con estos niveles, Dinamarca exporta e importa energía de países vecinos, como la hidroeléctrica de Noruega, para equilibrar la oferta y la demanda. También usa muchas centrales de calor y energía combinadas que pueden ajustar su producción rápidamente.

La intermitencia y variabilidad de las fuentes de energía renovable se pueden reducir y manejar de varias maneras:

• Diversificando el tipo de tecnología y la ubicación geográfica.
• Pronosticando sus variaciones.
• Integrándolas con energías renovables que sí se pueden ajustar (como la hidroeléctrica, geotérmica y biomasa).

Combinando esto con el almacenamiento de energía y la gestión de la demanda, se puede crear un sistema energético fiable que satisfaga la demanda en tiempo real. La integración de niveles cada vez más altos de energías renovables ya se ha demostrado con éxito.

En 2009, expertos de Estados Unidos y Europa afirmaron que no había "un límite técnico creíble y firme para la cantidad de energía eólica que puede soportar la red eléctrica". De hecho, más de 200 estudios internacionales y análisis oficiales no han encontrado costos o barreras técnicas importantes para integrar de forma fiable hasta un 30% de energías renovables variables en la red, y en algunos estudios, mucho más.

Investigadores de la Universidad de Harvard estudiaron cómo se puede reducir la variabilidad de los parques eólicos en el centro de EE. UU. Descubrieron que la variabilidad de alta frecuencia (cambios rápidos) de parques eólicos individuales se puede reducir significativamente al combinar la producción de 5 a 10 parques eólicos distribuidos en una región de diez estados. Más del 95% de la variabilidad restante se concentra en escalas de tiempo más largas (más de un día), lo que permite a los operadores usar pronósticos meteorológicos de varios días para planificar la producción eólica.

Mark Z. Jacobson ha investigado cómo las tecnologías eólica, hidráulica y solar pueden combinarse para satisfacer la mayoría de las necesidades energéticas del mundo. Él propone una "combinación inteligente" de fuentes de energía renovables para satisfacer la demanda de electricidad de forma fiable. Por ejemplo, el viento sopla en condiciones de tormenta cuando el sol no brilla, y el sol a menudo brilla en días tranquilos con poco viento. Combinar ambas fuentes ayuda mucho a satisfacer la demanda, especialmente si la energía geotérmica proporciona una base estable y la hidroeléctrica puede usarse para llenar los vacíos.

Existen al menos siete formas de diseñar y operar sistemas de energía renovable para que satisfagan la demanda de electricidad de forma fiable.

Las soluciones tecnológicas para reducir la intermitencia a gran escala de la energía eólica incluyen:

• Aumentar la interconexión (como la súper red europea).
• La respuesta a la demanda (ajustar el consumo).
• La gestión de la carga (planificar el uso de energía).
• Usar generadores diésel o centrales eléctricas existentes en espera.

Estudios indican que el costo de compensar la intermitencia puede ser alto a niveles de penetración muy elevados. Las redes eléctricas grandes y distribuidas pueden manejar mejor altos niveles de penetración que las redes pequeñas y aisladas. Para una hipotética red eléctrica a nivel europeo, se ha demostrado que niveles de penetración de energía eólica de hasta el 70% son viables. El costo de las líneas de transmisión adicionales sería solo alrededor del 10% del costo de las turbinas, lo que resultaría en precios de energía similares a los actuales. Las redes más pequeñas pueden ser menos tolerantes a altos niveles de penetración.

La adaptación a la demanda de energía no es un problema exclusivo de las fuentes intermitentes. Las redes eléctricas actuales ya manejan incertidumbres como cambios repentinos en la demanda y fallas inesperadas en las centrales. Aunque las redes están diseñadas para tener más capacidad de la necesaria para la demanda máxima, pueden requerirse mejoras significativas para acomodar grandes cantidades de energía intermitente. La Agencia Internacional de Energía (AIE) señala que la energía eólica "cambia el grado de incertidumbre, pero no el tipo".

Con suficiente almacenamiento de energía, las fuentes muy variables e intermitentes pueden suministrar electricidad a todas las regiones. Para que la energía solar proporcione la mitad de toda la electricidad, se necesitaría una capacidad solar total del 250% de la carga diaria promedio de las redes. Para que el viento proporcione la mitad de la electricidad, se necesitaría una capacidad eólica total del 160% de la carga diaria promedio.

Una instalación de almacenamiento por bombeo podría guardar suficiente agua para la carga semanal de las redes, con capacidad para la demanda máxima (es decir, el 200% del promedio de la red). Esto permitiría una semana de condiciones nubladas y sin viento. Sin embargo, construir este almacenamiento y la capacidad de generación total (seis veces el promedio de la red) implica costos adicionales.

Compensando la Variabilidad

Todas las fuentes de electricidad tienen cierto grado de variabilidad, al igual que los patrones de demanda que causan grandes cambios en la cantidad de electricidad que se envía a la red. Los procedimientos de operación de la red están diseñados para que la oferta coincida con la demanda de forma muy fiable. La introducción de grandes cantidades de energía muy variable puede requerir cambios en los procedimientos e inversiones adicionales.

La fiabilidad de un suministro de energía renovable se puede lograr usando infraestructura y tecnología de respaldo o extra, combinando diferentes energías renovables para producir electricidad por encima del promedio intermitente, lo que puede usarse para satisfacer demandas regulares e inesperadas. Además, el almacenamiento de energía para cubrir déficits intermitentes o emergencias puede ser parte de una fuente de energía fiable.

Reserva Operacional

Todas las redes eléctricas ya tienen una reserva operativa para compensar las incertidumbres. La adición de recursos intermitentes como el viento no requiere un "respaldo" del 100%, porque las reservas se calculan para todo el sistema, no para una planta específica.

• Algunas centrales de carbón, gas o hidroeléctricas se cargan parcialmente y se controlan para ajustar su producción según la demanda o para reemplazar rápidamente la generación perdida. La capacidad de ajustar la producción se llama "respuesta". La capacidad de reemplazar rápidamente la generación perdida (en 30 segundos a 30 minutos) se llama "reserva de giro".
• Las plantas térmicas que funcionan para cubrir picos de demanda suelen ser menos eficientes que si funcionaran de forma constante.
• Las instalaciones hidroeléctricas con capacidad de almacenamiento (como las presas) pueden operar para cubrir la demanda base o los picos.
• En la práctica, a medida que varía la producción de energía eólica, las plantas convencionales parcialmente cargadas, que ya están ahí para dar respuesta y reserva, ajustan su producción para compensar.
• Aunque pequeñas cantidades de energía intermitente pueden usar los niveles de reserva existentes, grandes variaciones 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 implica usar dispositivos de comunicación que pueden liberar cargas (apagar equipos) o absorber energía adicional para corregir desequilibrios entre oferta y demanda. Se han creado incentivos para que grandes consumidores desconecten sus equipos o usen generadores diésel cuando hay escasez, o que aumenten su consumo cuando hay un excedente.
• Ciertos controles de carga permiten a la compañía eléctrica apagar cargas de forma remota si no hay suficiente energía.
• La gestión de la demanda de energía ofrece incentivos para ajustar el uso de electricidad, como tarifas más altas en horas pico.
• Los precios de electricidad en tiempo real pueden animar a los usuarios a ajustar su consumo para aprovechar períodos de energía barata y evitar los caros.
• Reducción instantánea de la demanda: Muchos sistemas grandes tienen cargas que se desconectan al instante cuando hay escasez de generación, bajo acuerdos de beneficio mutuo.
• Los generadores diésel, a menudo instalados para emergencias, también se conectan a la red para ayudar a manejar desequilibrios a corto plazo.

Almacenamiento y Carga de la Demanda

En momentos de baja demanda, cuando la producción de viento y energía solar puede ser alta, la estabilidad de la red requiere reducir la producción de otras fuentes o incluso aumentar las cargas controlables. Esto puede implicar usar el almacenamiento de energía para mover la producción a momentos de mayor demanda. Algunos mecanismos incluyen:

• La energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo es la tecnología más usada y puede mejorar la economía de la energía eólica. Su eficiencia es del 80%.
• El almacenamiento de energía térmica guarda calor que puede usarse directamente o convertirse en electricidad.
• El almacenamiento de hielo para aire acondicionado: El hielo se puede almacenar y usar como fuente de aire acondicionado en períodos de alta demanda.
• El hidrógeno se puede crear por electrólisis y almacenarse para uso futuro.
• Las baterías de flujo recargables son un medio de almacenamiento de gran capacidad y respuesta rápida.
• Las baterías tradicionales de iones de litio tienen un impacto ambiental, pero nuevas tecnologías, como las baterías que "respiran aire", podrían ser una solución más ecológica.
• Algunas cargas, como plantas desalinizadoras o calderas eléctricas, pueden almacenar su producción (agua y calor). Estas "cargas oportunistas" pueden aprovechar la electricidad cuando está disponible.
• Otras aplicaciones potenciales incluyen cargar vehículos eléctricos durante períodos de baja demanda y alta producción.

El almacenamiento de energía eléctrica implica cierta pérdida de energía porque el proceso no es 100% eficiente. También puede requerir una inversión considerable y espacio para las instalaciones.

Diversidad Geográfica

La variabilidad de un solo aerogenerador puede ser alta. Sin embargo, combinar varias turbinas (en un parque eólico) reduce la variación estadística, siempre que la correlación entre la producción de cada turbina no sea perfecta, lo cual ocurre debido a la distancia entre ellas. De manera similar, los aerogeneradores o parques eólicos muy separados geográficamente tienen correlaciones más bajas, lo que reduce la variabilidad general.

Múltiples parques eólicos distribuidos en una amplia área geográfica y conectados a la red producen energía de forma más constante y con menos variabilidad que las instalaciones más pequeñas. La producción eólica se puede predecir con cierta confianza usando pronósticos meteorológicos, especialmente para un gran número de turbinas. Se espera que la capacidad de predecir la producción eólica mejore con el tiempo a medida que se recopilen más datos.

Fuentes de Energía Complementarias y Soporte de la Demanda

Antes, la generación de electricidad se podía ajustar en su mayoría, y la demanda de los consumidores dictaba cuándo y cuánta energía producir. Con la adición de fuentes intermitentes como la eólica, solar e hidroeléctrica de pasada, la red está empezando a ser impulsada por la oferta intermitente. El uso de fuentes intermitentes requiere una gestión cuidadosa de las redes eléctricas. Por ejemplo, se usan generadores que se pueden apagar cuando una fuente intermitente empieza a producir y encenderse rápidamente cuando deja de hacerlo. Idealmente, la capacidad de las fuentes intermitentes crecería hasta ser mayor que la demanda de los consumidores por períodos, creando un exceso de electricidad barata para reemplazar combustibles de calefacción o convertirla en almacenamiento mecánico o químico para uso posterior.

La generación que se desplaza podría ser de carbón, gas natural, biomasa, nuclear, geotérmica o hidroeléctrica de almacenamiento. En lugar de encender y apagar la energía nuclear o geotérmica, es más económico usarlas como energía base constante. Cualquier exceso de energía generada puede reemplazar combustibles de calefacción, almacenarse o venderse a otra red. Los biocombustibles y las centrales hidroeléctricas convencionales se pueden guardar para cuando las fuentes intermitentes no generen energía.

• La electricidad solar tiende a compensar los suministros fluctuantes del viento. Normalmente, hay más viento por la noche y en días nublados o tormentosos, y más sol en días claros con menos viento. Además, la energía eólica suele tener un pico en invierno, mientras que la solar lo tiene en verano. Combinar ambas reduce la necesidad de energía de respaldo.
• En algunos lugares, la demanda de electricidad puede estar muy relacionada con la producción eólica, especialmente donde las bajas temperaturas aumentan el consumo eléctrico (ya que el aire frío es más denso y transporta más energía).
• La generación solar intermitente tiene una relación directa con el clima cálido y soleado, que genera altas demandas de enfriamiento. Esta es una relación ideal entre energía intermitente y demanda.
• La penetración permitida se puede aumentar con más inversión en generación de respaldo. Por ejemplo, algunos días el viento podría producir el 80% de la energía, y en días sin viento, el 80% podría ser reemplazado por energía ajustable como gas natural, biomasa e hidroelectricidad.
• Las áreas con mucha generación hidroeléctrica existente pueden aumentar o disminuir su producción para incorporar grandes cantidades de viento. Noruega, Brasil y Manitoba tienen altos niveles de generación hidroeléctrica. Quebec produce más del 90% de su electricidad de energía hidroeléctrica. El Noroeste del Pacífico de EE. UU. es otra región donde la energía eólica se complementa bien con la hidroeléctrica existente. La capacidad de almacenamiento en las instalaciones hidroeléctricas estará limitada por el tamaño del embalse y otras consideraciones.
• 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 une energía solar, eólica, biogás e hidroalmacenamiento para proporcionar energía que sigue la demanda durante todo el día, completamente de fuentes renovables.

Acuerdos de Exportación e Importación con Sistemas Vecinos

• A menudo es posible exportar energía a redes vecinas cuando hay excedentes e importar cuando se necesita. Esto es común en Europa occidental y América del Norte.
• La integración con otras redes puede disminuir la concentración efectiva de energía variable. La penetración del 44% de Dinamarca, en el contexto de las redes alemanas/holandesas/escandinavas con las que está interconectada, es considerablemente menor como proporción del sistema total.
• La integración de 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 pico o la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo, pueden aprovecharse al importar energía variable de otra red que carezca de tales capacidades.
• La capacidad de la infraestructura de transmisión de energía podría necesitar mejoras importantes para soportar 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 exportadora para proporcionar a la red importadora energía útil en momentos útiles a un precio atractivo.

¿Qué es la Penetración de Energía?

La penetración se refiere a la proporción de una fuente de energía principal en un sistema eléctrico, expresada como un porcentaje. Hay varias formas de calcularla:

1. La capacidad nominal (potencia instalada) de una fuente dividida por la carga máxima dentro de un sistema eléctrico. 2. La capacidad nominal (potencia instalada) de una fuente dividida por la capacidad total del sistema eléctrico. 3. La energía eléctrica generada por una fuente en un período, dividida por la demanda del sistema eléctrico en ese período.

El nivel de penetración de fuentes variables intermitentes es importante por varias razones:

• Las redes con grandes cantidades de almacenamiento por bombeo, energía hidroeléctrica con embalse o pondage, u otras plantas de energía para horas pico (como las de gas natural) pueden manejar las fluctuaciones de energía intermitente más fácilmente.
• Los sistemas eléctricos relativamente pequeños sin una fuerte interconexión solo pueden ser estables y económicos con una fracción menor de energía eólica. Sin embargo, se han usado con éxito sistemas híbridos eólico/diésel y solar/diésel en comunidades aisladas con niveles de penetración relativamente altos.

El suministro de electricidad renovable con una penetración del 20-50% ya se ha implementado en varios sistemas europeos, dentro de un sistema de red europeo integrado. Por ejemplo, en 2010, cuatro estados alemanes, con 10 millones de personas, dependían de la energía eólica para el 43-52% de sus necesidades anuales de electricidad. Dinamarca obtuvo el 22% de su energía del viento en 2010. La región de Extremadura en España obtiene hasta el 25% de su electricidad de la energía solar, mientras que todo el país satisface el 16% de su demanda con energía eólica. Portugal pasó del 17% al 45% de electricidad renovable entre 2005 y 2010.

No hay un nivel máximo de penetración generalmente aceptado, ya que la capacidad de cada sistema para compensar la intermitencia es diferente, y los sistemas cambian con el tiempo. Las cifras de penetración aceptables o inaceptables deben usarse con precaución, ya que su importancia depende mucho de factores locales, la estructura y gestión de la red, y la capacidad de generación existente.

Para la mayoría de los sistemas en el mundo, los niveles de penetración actuales son mucho más bajos que los máximos prácticos o teóricos. Por ejemplo, un estudio del Reino Unido encontró que la generación intermitente no debería comprometer la fiabilidad del sistema eléctrico en Gran Bretaña en los próximos 20 años, aunque podría aumentar los costos.

Límites Máximos de Penetración

No hay un límite máximo de penetración de energía eólica que sea factible en una red específica. Más bien, las consideraciones de eficiencia económica y costo son los factores más importantes. Las soluciones técnicas pueden permitir niveles de penetración más altos en el futuro, especialmente si el costo no es la prioridad principal.

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

• La energía para períodos con poca o ninguna generación eólica puede ser proporcionada por centrales eléctricas existentes. El costo de usar estas centrales para este fin puede ser bajo, ya que los costos de combustible dominan los costos operativos.
• La reducción automática de la carga de grandes industrias y su posterior reconexión automática es una tecnología establecida. Se usa en el Reino Unido y EE. UU. para controlar la estabilidad de la red.
• En un escenario cercano al 100% de energía eólica, el exceso de energía eólica se puede manejar aumentando los niveles de los sistemas de reserva existentes y extendiéndolos a cargas domésticas. La energía se puede almacenar adelantando cargas domésticas que se pueden posponer, como calentadores de agua o la producción de hidrógeno, y la carga se puede reducir apagando dichos equipos.
• Alternativamente, la energía se puede exportar a redes vecinas y volver a importar más tarde. Los cables HVDC son eficientes (3% de pérdida por 1000 km) y pueden ser económicos en ciertas circunstancias.

Estudios de Penetración

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

Súper Red Europea

Varios estudios detallados, realizados por el Dr. Gregor Czisch, analizaron la adopción a nivel europeo de redes de energía renovable y la interconexión de la red eléctrica superior con cables HVDC. Estos estudios indican que todo el uso de energía en Europa podría provenir de fuentes renovables, con un 70% del total de energía del viento, a costos iguales o menores que los actuales. Esta gran red eléctrica europea propuesta se ha llamado "súper red".

El modelo aborda los problemas de la energía intermitente usando energías renovables de carga base, como la hidroeléctrica y la biomasa, para una parte sustancial del 30% restante. También usa intensivamente HVDC para mover energía de áreas con viento a áreas sin viento. El informe afirma que "el transporte de electricidad demuestra ser una de las claves para un suministro económico de electricidad" y destaca la importancia de la "cooperación internacional en el uso de energía renovable y la transmisión".

El Dr. Czisch explicó el concepto diciendo: "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 ocurre en verano. Si combinas ambas, te acercarás 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 indicó que sería factible acomodar el 42% (de la demanda) de energías renovables en la mezcla de electricidad. Este nivel aceptable de penetración de renovables se encontró en el Escenario 5, que proporcionó el 47% de la capacidad eléctrica con una combinación de 6,000 MW eólicos, 360 MW de renovables de carga base y 285 MW de otras fuentes intermitentes.

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

El Escenario 6, que proponía energías renovables con un 59% de capacidad eléctrica y un 54% de demanda, tuvo problemas. Este escenario proponía 8,000 MW eólicos, 392 MW de renovables de carga base y 1,685 MW de otras renovables variables.

El estudio encontró que para el Escenario 6, "ocurrió un número significativo de horas caracterizadas 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 simple 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", lo 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" bajo condiciones de altos precios del petróleo y mayores costos por los permisos de CO2. Las dos redes de Dinamarca tienen interconectores de alta capacidad con redes vecinas que 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.

Impacto Económico de la Variabilidad

Las estimaciones del costo de la energía eólica pueden incluir los costos "externos" de la variabilidad del viento o limitarse al costo de producción. Todas las plantas eléctricas tienen costos separados del costo de producción, como el costo de la capacidad de transmisión o la capacidad de reserva necesaria en caso de pérdida de generación. Muchos tipos de generación, especialmente los de combustibles fósiles, también tienen costos externos como la contaminación o la emisión de gases de efecto invernadero, que generalmente no se tienen en cuenta directamente. La magnitud de los impactos económicos se discute y varía según la ubicación, pero se espera que aumente con niveles de penetración más altos. A bajos niveles de penetración, los costos como la reserva de operación y los costos de equilibrio se consideran insignificantes.

La intermitencia puede introducir costos adicionales que son diferentes o de una magnitud distinta a los de los tipos de generación tradicionales. Estos pueden incluir:

• 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 se dimensiona para la producción máxima, pero la capacidad promedio para el viento será significativamente menor, lo que eleva el costo por unidad de energía transmitida. Sin embargo, los costos de transmisión son una pequeña parte de los costos totales de energía.
• Reserva de operación adicional: Si el viento adicional no coincide con los patrones de demanda, puede requerirse una reserva de operación adicional. Sin embargo, esto no resulta en mayores costos de capital para plantas adicionales, ya que se trata simplemente de plantas existentes que funcionan a baja producción como reserva. 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 de operación "solo tienen significado a nivel del sistema".
• Costos de equilibrio: Para mantener la estabilidad de la red, pueden incurrirse en 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%), pueden requerirse soluciones para manejar la alta producción de viento durante períodos de baja demanda. Esto puede implicar gastos de capital adicionales o menores ingresos para los productores eólicos.

Análisis de Costos

Se han realizado estudios para determinar los costos de la variabilidad. RenewableUK afirma:

Colorado - Informes de Xcel y UCS

Un funcionario de Xcel Energy afirmó que con una penetración del 20%, los generadores de reserva adicionales para compensar la energía eólica en Colorado costarían $8 por MWh, lo que añadiría entre el 13% y el 16% al costo de $50-60 por MWh de energía eólica.

La Unión de Científicos Preocupados realizó un estudio sobre los costos de aumentar la penetración de las energías renovables en Colorado al 10%. Encontró que para una factura residencial promedio, los clientes de servicios públicos municipales y cooperativas rurales que no cumplieran con el requisito de energía solar podrían ahorrar 4 centavos por mes. Sin embargo, para los clientes de Xcel Energy, habría un costo adicional de unos 10 centavos por mes. El impacto total en todos los consumidores sería de $4.5 millones o 0.01% durante dos décadas.

Estudios del Reino Unido

Un estudio detallado para UK National Grid (una compañía eléctrica privada) afirma que "hemos estimado que para el caso con 8,000 MW de energía eólica para cumplir con el objetivo del 10% de energías renovables para 2010, se puede esperar que los costos de equilibrio aumenten en alrededor de £2 por MWh de producción eólica". Esto representaría £40 millones adicionales por año, poco más del 10% de los costos de equilibrio anuales existentes.

Como prueba ante el Comité Selecto de Asuntos Económicos de la Cámara de los Lores del Reino Unido, National Grid ha citado estimaciones de los costos de equilibrio del 40% del viento, que se encuentran en el rango de £500-1000 millones por año. "Estos costos de compensación representan un costo adicional de £6 a £12 por año en la factura promedio de consumo de electricidad de alrededor de £390".

National Grid señala que "los niveles crecientes de dicha generación renovable en el sistema aumentarán los costos de equilibrar el sistema y gestionar la frecuencia del sistema".

Un informe de 2003, de Carbon Trust y el Departamento de Comercio e Industria del Reino Unido (DTI), proyectó costos de £1.6 a £2.4 mil millones para reforzar y construir nuevos sistemas de transmisión y distribución para apoyar un 10% de electricidad renovable en el Reino Unido para 2010, y de £3.2 mil millones a £4.5 mil millones para el 20% para 2020. El estudio clasificó la "Intermitencia" como "No es un problema importante" para el objetivo de 2010, pero un "Problema significativo" para el objetivo de 2020.

Minnesota

Un estudio de Minnesota sobre los niveles de penetración eólica encontró que el "costo total de operación de integración para hasta un 25% de energía eólica" sería inferior a $0.0045 por kWh (adicional).

Intermitencia y Energías Renovables

Existen diferentes puntos de vista sobre algunas fuentes de energía renovable y la intermitencia. La Asociación Nuclear Mundial argumenta que el sol, el viento, las mareas y las olas no pueden controlarse para proporcionar directamente energía base continua o energía máxima cuando se necesita. Los defensores del uso de la energía renovable argumentan que el tema de la intermitencia de las energías renovables está exagerado, y que la experiencia práctica lo demuestra. En cualquier caso, la energía renovable geotérmica no tiene intermitencia, al igual que la nuclear (aunque ambas utilizan la energía de 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 acuerdo entre las empresas eléctricas en EE. UU. de que los generadores de electricidad renovable como el viento y la energía solar son tan poco fiables e intermitentes que nunca podrían contribuir significativamente al suministro eléctrico ni proporcionar energía base. Thomas Petersnik, analista de la Administración de Información de Energía de EE. UU., lo expresó así: "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".

Según un artículo de investigación de 2013 sobre la tasa de retorno energético (TRE) realizado por seis analistas y dirigido por D. Weißbach, el TRE sin corregir por su intermitencia ("sin búfer") para cada fuente de energía analizada se muestra en la tabla adjunta. El TRE corregido por su intermitencia climática ("amortiguado") para todas las fuentes de energía baja en carbono, excepto la nuclear y la biomasa, fue aún menor. Al corregirse por su intermitencia, las cifras de TRE para las fuentes de energía intermitentes disminuyen, una reducción que depende de su dependencia en las fuentes de energía de respaldo.

Opiniones de Defensores del Uso de Energía Renovable de Alta Penetración

El presidente de la Comisión Federal Reguladora de Energía (FERC) de EE. UU., Jon Wellinghoff, declaró que "la capacidad de carga base se convertirá en un anacronismo" y que en Estados Unidos nunca se necesitarán nuevas centrales nucleares o de carbón. Algunas fuentes de electricidad renovables tienen una variabilidad similar 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 necesidad de respaldo adicional. Ejemplos incluyen:

• Bioenergía, basada en la quema de cultivos y residuos, o su gasificación seguida de la combustión del gas.
• La generación geotérmica de roca seca caliente, que se está desarrollando en Australia y 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. 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 enciende 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 fiable.

La energía hidroeléctrica puede ser intermitente o ajustable, dependiendo de la configuración de la planta. Las centrales hidroeléctricas típicas con presa pueden tener una capacidad de almacenamiento considerable y se consideran ajustables. Generalmente, la generación hidroeléctrica de río tendrá poca o ninguna capacidad de almacenamiento y será variable estacional o anualmente (dependiendo de la lluvia y el deshielo).

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 forma fiable la demanda de electricidad base y máxima.

Los métodos para gestionar la integración de la energía eólica van desde los que se usan comúnmente hoy (como la gestión de la demanda) hasta nuevas tecnologías potenciales para el almacenamiento de energía en la red. La mejora de los pronósticos también puede ayudar, ya que las variaciones diarias y estacionales en las fuentes eólicas y solares son, hasta cierto punto, predecibles. El Instituto Pembina y el Fondo Mundial para la Naturaleza en su plan "Renovable es posible" sugieren que la resiliencia es una característica de la energía renovable:

Galería de imágenes

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  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.

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  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.

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.