Energía híbrida

Por lo general, la energía solar flotante se añade a las centrales hidroeléctricas ya existentes, en lugar de construir ambas conjuntamente.

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  Sistema híbrido típico de energía eólica y solar
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  Híbrido en Žirje , Croacia
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  Pequeño sistema híbrido eólico y solar

Otro ejemplo de sistema de energía híbrido es un conjunto fotovoltaico acoplado a una turbina eólica . ^{[ 7 ]} Esto generaría una mayor producción de la turbina eólica durante el invierno, mientras que durante el verano, los paneles solares producirían su máxima producción. Los sistemas de energía híbridos suelen generar mayores beneficios económicos y ambientales que los sistemas eólicos, solares, geotérmicos o de trigeneración independientes. ^{[ 8 ]}

El uso combinado de sistemas eólicos y solares da como resultado, en muchos lugares, una producción de energía más estable y limpia, ya que los recursos están inversamente correlacionados. Por lo tanto, el uso combinado de sistemas eólicos y solares es crucial para una integración a gran escala en la red eléctrica. ^{[ 9 ]}

En 2019 , en el oeste de Minnesota , se instaló un sistema híbrido de 5 millones de dólares. Este sistema utiliza 500  kW de energía solar a través del inversor de una turbina eólica de 2 MW, lo que aumenta el factor de capacidad y reduce los costos en 150 000 dólares anuales. Los contratos de compra limitan al distribuidor local a un máximo del 5 % de autogeneración. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Se han probado paneles solares en turbinas eólicas ya existentes, pero producían rayos de luz cegadores que representaban una amenaza para los aviones . Una solución fue fabricar paneles solares tintados que no reflejaran tanta luz. Otro diseño propuesto consistía en una turbina eólica de eje vertical recubierta de células solares capaces de absorber la luz solar desde cualquier ángulo. ^{[ 12 ]}

Otros sistemas híbridos solares incluyen sistemas solares-eólicos. La combinación de energía eólica y solar tiene la ventaja de que ambas fuentes se complementan, ya que los picos de producción de cada sistema ocurren en diferentes momentos del día y del año. La generación de energía de un sistema híbrido de este tipo es más constante y fluctúa menos que la de cada uno de sus dos subsistemas componentes. ^{[ 13 ]} El parque de energía renovable más grande del mundo, con una capacidad híbrida solar-eólica de 30 GW, se encuentra en construcción en Gujarat. ^{[ 14 ]}

Un sistema eólico-hidráulico genera energía eléctrica combinando turbinas eólicas y almacenamiento por bombeo . Esta combinación ha sido objeto de debate durante mucho tiempo, y Nova Scotia Power implementó una planta experimental, que también probó turbinas eólicas, en su central hidroeléctrica de Wreck Cove a finales de la década de 1970, pero fue desmantelada en menos de diez años. Desde entonces, hasta finales de 2010, no se ha implementado ningún otro sistema en una sola ubicación. ^{[ 15 ]}

Las centrales eólicas-hidráulicas dedican la totalidad, o una parte significativa, de sus recursos de energía eólica al bombeo de agua a embalses de almacenamiento por bombeo. Estos embalses son una implementación del almacenamiento de energía en la red eléctrica .

El viento y su potencial de generación son inherentemente variables. Sin embargo, cuando esta fuente de energía se utiliza para bombear agua a embalses elevados (el principio del almacenamiento por bombeo), la energía potencial del agua es relativamente estable y puede utilizarse para generar energía eléctrica liberándola en una central hidroeléctrica cuando sea necesario. ^{[ 16 ]} Se ha descrito que esta combinación es especialmente adecuada para islas que no están conectadas a redes eléctricas más grandes. ^{[ 15 ]}

Durante la década de 1980, se propuso una instalación en los Países Bajos. ^{[ 17 ]} El IJsselmeer se utilizaría como embalse, con turbinas eólicas ubicadas en su dique. ^{[ 18 ]} Se han realizado estudios de viabilidad para instalaciones en la isla de Ramea ( Terranova y Labrador ) y en la Reserva Indígena Lower Brule ( Dakota del Sur ). ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Una instalación en la isla de Ikaria , Grecia, había entrado en la fase de construcción en 2010. ^{[ 15 ]}

Se prevé que la isla de El Hierro sea donde se complete la primera central eólica-hidroeléctrica del mundo. ^{[ 21 ]} Current TV la calificó como "un modelo para un futuro sostenible en el planeta Tierra". Fue diseñada para cubrir entre el 80 y el 100 % de la energía de la isla y se esperaba que entrara en funcionamiento en 2012. ^{[ 22 ]} Sin embargo, estas expectativas no se cumplieron en la práctica, probablemente debido a un volumen insuficiente del embalse y a problemas persistentes con la estabilidad de la red. ^{[ 23 ]}

Los sistemas de energía 100% renovable requieren una sobrecapacidad de energía eólica o solar. ^{[ 24 ]}

Aunque la energía solar fotovoltaica genera energía intermitente más barata durante el día, necesita el apoyo de fuentes de generación de energía sostenibles para proporcionar energía las 24 horas. Las plantas solares térmicas con almacenamiento térmico son una fuente de generación de energía limpia y sostenible que suministra electricidad las 24 horas. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Pueden satisfacer la demanda de carga perfectamente y funcionar como plantas de carga base cuando la energía solar extraída es excesiva durante el día. ^{[ 27 ]} Una combinación adecuada de energía solar térmica (con almacenamiento térmico) y energía solar fotovoltaica puede adaptarse completamente a las fluctuaciones de carga sin necesidad de costosos sistemas de almacenamiento de baterías. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

Durante el día, el consumo adicional de energía auxiliar de una planta de almacenamiento solar térmico es casi el 10 % de su capacidad nominal para el proceso de extracción de energía solar en forma de energía térmica. ^{[ 27 ]} Este requerimiento de energía auxiliar puede ser cubierto por una planta solar fotovoltaica más económica mediante la planificación de una planta solar híbrida con una combinación de plantas solares térmicas y fotovoltaicas en un sitio. Además, para optimizar el costo de la energía, la generación puede provenir de la planta solar fotovoltaica más económica (33 % de la generación) durante el día, mientras que el resto del tiempo del día proviene de la planta de almacenamiento solar térmico (67 % de la generación de los tipos de torre de energía solar y colectores parabólicos ) para cumplir con la operación de carga base de 24 horas. ^{[ 30 ]} Cuando una planta de almacenamiento solar térmico se ve obligada a parar debido a la falta de luz solar local durante los días nublados de la temporada del monzón, también es posible consumir (de forma similar a un sistema de almacenamiento de baterías menos eficiente, de gran capacidad y bajo costo) la energía barata/inactiva de las plantas solares fotovoltaicas, eólicas e hidroeléctricas calentando la sal fundida caliente a una temperatura más alta para convertir la energía térmica almacenada en electricidad durante las horas pico de demanda, cuando el precio de venta de la electricidad es rentable. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

La energía solar fotovoltaica ofrece una producción variable que puede compensarse con almacenamiento en baterías. Sin embargo, existen grandes variaciones en la producción a lo largo del día, así como en muchos lugares estacionalmente. La batería ayuda a ajustar la potencia a la carga. Un inversor solar híbrido permite además el almacenamiento de electricidad de bajo costo obtenida con tarifas económicas. ^{[ 33 ]} Almacena el exceso de energía solar y suministra energía durante períodos de baja generación o cortes de suministro, asegurando un suministro de energía confiable y continuo, a la vez que ayuda a ahorrar en costos de electricidad. ^{[ 34 ]}

En 2024, EE. UU. cuenta con 288 centrales eléctricas solares con baterías, con una capacidad de almacenamiento de 7,8 GW de potencia y 24,2 GWh de energía. ^{[ 35 ]}

Un método para almacenar energía eólica es la producción de hidrógeno mediante la electrólisis del agua . Este hidrógeno se utiliza posteriormente para generar electricidad en los periodos en que la demanda no puede ser cubierta únicamente por el viento. La energía del hidrógeno almacenado puede convertirse en energía eléctrica mediante tecnología de pilas de combustible o un motor de combustión conectado a un generador eléctrico .

El almacenamiento exitoso de hidrógeno presenta muchos problemas que deben superarse, como la fragilización de los materiales utilizados en el sistema de energía.

Esta tecnología se está desarrollando en muchos países. En 2007, los sitios de prueba de tecnología incluían:

Un sistema híbrido eólico-diésel combina generadores diésel y turbinas eólicas, ^{[ 45 ]} generalmente junto con equipos auxiliares como almacenamiento de energía, convertidores de potencia y diversos componentes de control, para generar electricidad. Están diseñados para aumentar la capacidad y reducir el costo y el impacto ambiental de la generación eléctrica en comunidades e instalaciones remotas que no están conectadas a la red eléctrica . ^{[ 45 ]} Los sistemas híbridos eólico-diésel reducen la dependencia del combustible diésel, que genera contaminación y es costoso de transportar. ^{[ 45 ]}

Recientemente, en el norte de Canadá, la industria minera construyó sistemas híbridos de energía eólica-diésel. En lugares remotos como Lac de Gras, en los Territorios del Noroeste de Canadá, y Katinniq, en la península de Ungava, Nunavik, se utilizan dos sistemas para ahorrar combustible en las minas. Existe otro sistema en Argentina. ^{[ 46 ]}

La energía eólica y solar son fuentes de energía renovable variables que no son tan consistentes como la energía de carga base , y una planta de energía de hidrógeno de ciclo combinado podría ayudar a las energías renovables capturando el exceso de energía, mediante electrólisis , cuando producen demasiado, para así llenar los huecos cuando no producen lo suficiente. ^{[ 47 ]}

En las centrales eléctricas que utilizan almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES), se utiliza energía eléctrica para comprimir el aire y almacenarlo en instalaciones subterráneas como cavernas o minas abandonadas. Durante períodos posteriores de alta demanda eléctrica, el aire se libera para alimentar turbinas, generalmente utilizando gas natural suplementario . ^{[ 48 ]} Las centrales eléctricas que hacen un uso significativo de CAES están operativas en McIntosh, Alabama , Alemania y Japón. ^{[ 49 ]} Las desventajas del sistema incluyen algunas pérdidas de energía en el proceso CAES; además, la necesidad de utilizar combustibles fósiles suplementarios como el gas natural significa que estos sistemas no utilizan completamente energía renovable. ^{[ 50 ]}

El Parque de Energía Almacenada de Iowa , que se prevé que comience a operar comercialmente en 2015, utilizará parques eólicos en Iowa como fuente de energía junto con CAES. ^{[ 51 ]}

También es posible combinar energía solar y geotérmica. ^{[ 52 ]}

Un tipo común es un sistema híbrido fotovoltaico-diésel, ^{[ 53 ] [ 54 ]} que combina energía fotovoltaica (FV) y generadores diésel , o grupos electrógenos diésel, ya que la energía FV prácticamente no tiene costo marginal y se trata con prioridad en la red . Los grupos electrógenos diésel se utilizan para cubrir constantemente la diferencia entre la carga actual y la potencia generada por el sistema FV. ^{[ 55 ]}

Como la energía solar fluctúa y la capacidad de generación de los grupos electrógenos diésel está limitada a un cierto rango, a menudo es una opción viable incluir almacenamiento en baterías para optimizar la contribución de la energía solar a la generación total del sistema híbrido. ^{[ 55 ] [ 56 ]}

Los mejores casos de negocio para la reducción del diésel con energía solar y eólica suelen encontrarse en ubicaciones remotas, ya que estos sitios a menudo no están conectados a la red eléctrica y el transporte de diésel a largas distancias es costoso. ^{[ 57 ]} Muchas de estas aplicaciones se encuentran en el sector minero , ^{[ 58 ]} en montañas para sistemas de radiocomunicación y datos, y en islas. ^{[ 55 ] [ 59 ] [ 60 ]}

Los generadores diésel suelen arrancar de noche, cuando los paneles fotovoltaicos no cargan las baterías. En las regiones alpinas, esto puede ser muy problemático, ya que los motores diésel no arrancan ni soportan bien la carga a bajas temperaturas. Esto suele provocar fallos de arranque. Los motores diésel normalmente se precalientan eléctricamente en modo de espera. No se puede utilizar un precalentador eléctrico en sistemas híbridos solares-diésel, ya que consumiría demasiada carga del sistema de baterías.

En 2015, un estudio de caso realizado en siete países concluyó que, en todos los casos, los costos de generación pueden reducirse mediante la hibridación de minirredes y redes aisladas. Sin embargo, los costos de financiación para las redes eléctricas alimentadas con diésel y energía solar fotovoltaica son cruciales y dependen en gran medida de la estructura de propiedad de la central eléctrica. Si bien las reducciones de costos para las empresas de servicios públicos estatales pueden ser significativas, el estudio también identificó que los beneficios económicos a corto plazo son insignificantes o incluso negativos para las empresas de servicios públicos no públicas, como los productores independientes de energía , dados los costos históricos al momento del estudio. ^{[ 61 ] [ 62 ]}

Es posible añadir energía undimotriz a la eólica y solar. ^{[ 63 ]}