energía renovable variable

Los operadores de la red utilizan pronósticos diarios para determinar cuál de las fuentes de energía disponibles utilizar al día siguiente, y los pronósticos meteorológicos se utilizan para predecir la probable producción de energía eólica y solar disponible. Aunque los pronósticos de energía eólica se han utilizado operativamente durante décadas, a partir de 2019La AIE está organizando la colaboración internacional para mejorar aún más su precisión. ^{[ 19 ]}

La energía eólica es un recurso variable, y la cantidad de electricidad producida en un momento dado por una planta determinada dependerá de la velocidad del viento, la densidad del aire y las características de la turbina, entre otros factores. Si la velocidad del viento es demasiado baja, las turbinas eólicas no podrán generar electricidad, y si es demasiado alta, deberán apagarse para evitar daños. Si bien la producción de una sola turbina puede variar considerablemente y con rapidez según varíen las velocidades del viento locales, a medida que se conectan más turbinas en áreas cada vez más extensas, la producción de energía promedio se vuelve menos variable. ^{[ 10 ]}

• Intermitencia: Las regiones más pequeñas que la escala sinóptica , de menos de unos 1000  km de longitud, el tamaño de un país promedio, tienen en su mayoría el mismo clima y, por lo tanto, aproximadamente la misma potencia eólica, a menos que las condiciones locales favorezcan vientos especiales. Algunos estudios muestran que los parques eólicos distribuidos en un área geográficamente diversa rara vez dejan de producir energía por completo. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Este rara vez es el caso para áreas más pequeñas con geografía uniforme como Irlanda, ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} Escocia ^{[ 25 ]} y Dinamarca, que tienen varios días al año con poca potencia eólica. ^{[ 26 ]}
• Factor de capacidad: La energía eólica suele tener un factor de capacidad anual del 25-50%, siendo la energía eólica marina más eficiente que la terrestre. ^{[ 27 ]}
• Capacidad de despacho: Debido a que la energía eólica no es despachable por sí misma, los parques eólicos a veces se construyen con almacenamiento. ^{[ 28 ] [ 29 ]}
• Crédito de capacidad: A bajos niveles de penetración, el crédito de capacidad de la energía eólica es aproximadamente igual al factor de capacidad. A medida que aumenta la concentración de energía eólica en la red, el porcentaje de crédito de capacidad disminuye. ^{[ 30 ] [ 31 ]}
• Variabilidad: Depende del sitio. ^{[ 32 ]} Las brisas marinas son mucho más constantes que las brisas terrestres. ^{[ 10 ]} La variabilidad estacional puede reducir la producción en un 50%. ^{[ 33 ]}
• Fiabilidad : Un parque eólico tiene una alta fiabilidad técnica cuando hay viento. Es decir, la producción en un momento dado solo variará gradualmente debido a la disminución de la velocidad del viento o a tormentas, estas últimas necesarias para paradas programadas. Es improbable que un parque eólico típico tenga que parar en menos de media hora, mientras que una central eléctrica de tamaño equivalente puede fallar de forma instantánea y sin previo aviso. La parada total de las turbinas eólicas es predecible mediante la previsión meteorológica. La disponibilidad media de una turbina eólica es del 98 %, y cuando una turbina falla o se detiene para mantenimiento, solo afecta a un pequeño porcentaje de la producción de un gran parque eólico. ^{[ 34 ]}
• Previsibilidad: Si bien el viento es variable, también es predecible a corto plazo. Existe un 80 % de probabilidad de que la intensidad del viento varíe menos del 10 % en una hora y un 40 % de probabilidad de que varíe un 10 % o más en 5  horas. ^{[ 35 ]}

Debido a que la energía eólica se genera mediante un gran número de pequeños generadores, las fallas individuales no tienen grandes impactos en las redes eléctricas. Esta característica de la energía eólica se conoce como resiliencia. ^{[ 36 ]}

La intermitencia afecta intrínsecamente a la energía solar , ya que la producción de electricidad renovable a partir de fuentes solares depende de la cantidad de luz solar en un lugar y momento determinados. La producción solar varía a lo largo del día y de las estaciones, y se ve afectada por el polvo, la niebla, la nubosidad, las heladas o la nieve. Muchos de los factores estacionales son bastante predecibles, y algunos sistemas solares térmicos utilizan el almacenamiento de calor para producir energía para la red durante todo el día. ^{[ 37 ]}

• Variabilidad: En ausencia de un sistema de almacenamiento de energía , la energía solar no se produce por la noche, genera poca energía con mal tiempo y varía entre estaciones. En muchos países, la energía solar se produce principalmente en las estaciones con poca disponibilidad de viento y viceversa. ^{[ 38 ]}
• Factor de capacidad La energía solar fotovoltaica estándar tiene un factor de capacidad promedio anual del 10-20%, ^{[ 39 ]} pero los paneles que se mueven y siguen al sol tienen un factor de capacidad de hasta el 30%. ^{[ 40 ]} Colector parabólico solar térmico con almacenamiento 56%. ^{[ 41 ]} Torre de energía solar térmica con almacenamiento 73%. ^{[ 41 ]}

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

En muchos países ya no se construyen grandes represas nuevas debido al impacto ambiental de los embalses . Se han seguido construyendo proyectos de centrales hidroeléctricas de pasada . ^{[ 45 ]} La ausencia de un embalse produce variaciones estacionales y anuales en la generación de electricidad.

La energía mareomotriz es la más predecible de todas las fuentes de energía renovables variables. Las mareas cambian de dirección dos veces al día, pero nunca son intermitentes; al contrario, son completamente fiables. ^{[ 46 ]}

Las olas se crean principalmente por el viento, por lo que la energía disponible de las olas tiende a ser similar a la disponible del viento, pero debido a la masa del agua es menos variable que la energía eólica. La energía eólica es proporcional al cubo de la velocidad del viento, mientras que la energía de las olas es proporcional al cuadrado de la altura de la ola. ^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]}

Todas las redes gestionadas ya cuentan con reservas operativas y de reserva para compensar las incertidumbres existentes en la red eléctrica. La incorporación de recursos intermitentes como la energía eólica no requiere una reserva del 100 %, ya que las reservas operativas y los requisitos de equilibrio se calculan a nivel de todo el sistema y no se asignan a una central generadora específica.

Algunas centrales de gas o hidroeléctricas se cargan parcialmente y luego se controlan para adaptarse a los cambios en la demanda o para compensar rápidamente la pérdida de generación. Esta capacidad de adaptación a los cambios en la demanda se denomina "respuesta". La capacidad de compensar rápidamente la pérdida de generación, generalmente en plazos de entre 30  segundos y 30  minutos, se denomina "reserva rotatoria".

En general, las centrales térmicas que funcionan como centrales de punta son menos eficientes que si funcionaran como centrales de base . Las centrales hidroeléctricas con capacidad de almacenamiento, como las de configuración tradicional de presa, pueden funcionar como centrales de base o de punta.

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

La gestión de la demanda consiste en modificar el consumo de energía para ajustarlo mejor a la oferta. Puede consistir en desconectar equipos o absorber energía adicional para corregir desequilibrios entre la oferta y la demanda. En los sistemas estadounidenses, británicos y franceses se han implementado numerosos incentivos para el uso de estos sistemas, como tarifas preferenciales o ayudas para la financiación, que animan a los consumidores con grandes cargas a desconectarlas cuando hay escasez de capacidad o, por el contrario, a aumentar su consumo cuando hay excedente.

Ciertos tipos de control de carga permiten a la compañía eléctrica desconectar las cargas de forma remota si la energía disponible es insuficiente. En Francia, los grandes consumidores, como el CERN, reducen el consumo de energía según lo exige el operador del sistema (EDF) bajo el incentivo de la tarifa EJP. ^{[ 55 ] [ 56 ]}

La gestión de la demanda energética se refiere a los incentivos para ajustar el uso de la electricidad, como tarifas más altas durante las horas pico. La tarificación variable de la electricidad en tiempo real puede alentar a los usuarios a ajustar su uso para aprovechar los períodos en que la energía está disponible a bajo costo y evitar los períodos en que es más escasa y cara. ^{[ 57 ]} Algunas cargas, como las plantas desalinizadoras, las calderas eléctricas y las unidades de refrigeración industrial, pueden almacenar su producción (agua y calor). Algunos estudios han modelado la minería de Bitcoin como una carga eléctrica potencialmente flexible, sugiriendo que, bajo ciertas condiciones, las operaciones mineras podrían usar electricidad que de otro modo se restringiría o mejorar la economía del proyecto. ^{[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]} Pero otros argumentan que la minería de Bitcoin nunca puede ser sostenible. ^{[ 66 ]}

Reducción instantánea de la demanda. La mayoría de los grandes sistemas también cuentan con una categoría de cargas que se desconectan instantáneamente cuando hay escasez de generación, en virtud de un contrato mutuamente beneficioso. Esto puede generar reducciones o aumentos de carga instantáneos.

En momentos de baja demanda, cuando la producción no gestionable de energía eólica y solar puede ser alta, la estabilidad de la red requiere reducir la producción de diversas fuentes de generación gestionables o incluso aumentar las cargas controlables, posiblemente mediante el uso de almacenamiento de energía para desplazar la producción a momentos de mayor demanda. Dichos mecanismos pueden incluir:

La energía hidroeléctrica de bombeo es la tecnología más extendida actualmente y puede mejorar sustancialmente la rentabilidad de la energía eólica. La disponibilidad de emplazamientos hidroeléctricos aptos para el almacenamiento varía según la red eléctrica. La eficiencia típica de ciclo completo es del 80 %. ^{[ 10 ] [ 71 ]}

Las baterías de iones de litio tradicionales son el tipo más común utilizado para el almacenamiento de energía a gran escala en la red eléctrica desde 2020.[ ^{72 ]} Las baterías de flujo recargables pueden servir como un medio de almacenamiento ^de gran capacidad y respuesta rápida. ^{[ 13 ]} El hidrógeno se puede crear mediante electrólisis y almacenar para su uso posterior. ^{[ 73 ]}

Los sistemas de almacenamiento de energía mediante volantes de inercia presentan algunas ventajas sobre las baterías químicas. Además de una durabilidad considerable que permite su uso frecuente sin una reducción notable de su vida útil, también ofrecen una respuesta y una velocidad de carga muy rápidas. Pueden pasar de la descarga completa a la carga completa en cuestión de segundos. ^{[ 74 ]} Se pueden fabricar con materiales no tóxicos y respetuosos con el medio ambiente, y son fácilmente reciclables una vez finalizada su vida útil. ^{[ 75 ]}

El almacenamiento de energía térmica almacena calor. El calor almacenado puede utilizarse directamente para calefacción o convertirse en electricidad. En el contexto de una planta de cogeneración, un sistema de almacenamiento de calor puede funcionar como un sistema de almacenamiento de electricidad a costes relativamente bajos. El almacenamiento de hielo para aire acondicionado permite almacenar hielo entre temporadas y utilizarlo como fuente de aire acondicionado durante periodos de alta demanda. Los sistemas actuales solo necesitan almacenar hielo durante unas pocas horas, pero están bien desarrollados.

El almacenamiento de energía eléctrica conlleva cierta pérdida de energía, ya que tanto el almacenamiento como la recuperación no son perfectamente eficientes. Además, el almacenamiento requiere inversión de capital y espacio para las instalaciones.

La variabilidad de la producción de una sola turbina eólica puede ser alta. La combinación de varias turbinas, por ejemplo, en un parque eólico, reduce la variación estadística, siempre que la correlación entre la producción de cada turbina sea imperfecta, y estas correlaciones siempre son imperfectas debido a la distancia entre ellas. De manera similar, las turbinas o parques eólicos geográficamente distantes presentan correlaciones más bajas, lo que reduce la variabilidad general. Dado que la energía eólica depende de los sistemas meteorológicos, existe un límite al beneficio de esta diversidad geográfica para cualquier sistema eléctrico. ^{[ 76 ]}

Múltiples parques eólicos distribuidos en una amplia zona geográfica e interconectados generan energía de forma más constante y con menor variabilidad que las instalaciones más pequeñas. La producción eólica puede predecirse con cierto grado de confianza utilizando pronósticos meteorológicos, especialmente en el caso de un gran número de turbinas o parques eólicos. Se espera que la capacidad de predecir la producción eólica aumente con el tiempo a medida que se recopilen datos, sobre todo de las instalaciones más recientes. ^{[ 76 ]}

La electricidad producida a partir de energía solar tiende a compensar las fluctuaciones en el suministro generado por la energía eólica. Normalmente, el viento es más fuerte por la noche y durante días nublados o tormentosos, y hay más sol en días despejados con menos viento. ^{[ 77 ]} Además, la energía eólica suele alcanzar su pico en invierno, mientras que la energía solar lo hace en verano; la combinación de energía eólica y solar reduce la necesidad de energía de respaldo gestionable. ^{[ 78 ]}

• En algunos lugares, la demanda de electricidad puede tener una alta correlación con la producción eólica, particularmente en aquellos donde las bajas temperaturas impulsan el consumo eléctrico, ya que el aire frío es más denso y transporta más energía.
• La penetración permitida puede incrementarse con una mayor inversión en generación de reserva. Por ejemplo, algunos días se podría generar un 80 % de energía eólica intermitente y, en los muchos días sin viento, sustituir el 80 % restante con energía gestionable como gas natural, biomasa e hidroeléctrica.
• Las áreas con altos niveles de generación hidroeléctrica existentes pueden aumentar o disminuir su producción para incorporar cantidades sustanciales de energía eólica. Noruega , Brasil y Manitoba tienen altos niveles de generación hidroeléctrica, Quebec produce más del 90 % de su electricidad a partir de energía hidroeléctrica, e Hydro-Québec es el mayor productor de energía hidroeléctrica del mundo. El noroeste del Pacífico de EE. UU. se ha identificado como otra región donde la energía eólica se complementa bien con la energía hidroeléctrica existente. ^{[ 79 ]} La capacidad de almacenamiento en las instalaciones hidroeléctricas estará limitada por el tamaño del embalse y consideraciones ambientales y de otro tipo.

A menudo es factible exportar energía a redes vecinas en momentos de excedente e importarla cuando sea necesario. Esta práctica es común en Europa ^{[ 80 ]} y entre Estados Unidos y Canadá ^{[ 81 ]} . La integración con otras redes puede reducir la concentración efectiva de potencia variable: por ejemplo, la alta penetración de energías renovables variables en Dinamarca, en el contexto de las redes alemana, holandesa y escandinava con las que está interconectada, es considerablemente menor como proporción del sistema total. La energía hidroeléctrica que compensa la variabilidad puede utilizarse en distintos países ^{[ 82 ] .}

Es posible que sea necesario mejorar sustancialmente la capacidad de la infraestructura de transmisión de energía para respaldar los planes de exportación e importación. Parte de la energía se pierde durante la transmisión. El valor económico de exportar energía variable depende, en parte, de la capacidad de la red exportadora para suministrar a la red importadora energía útil en los momentos oportunos y a un precio atractivo.

La demanda y la generación pueden ajustarse mejor cuando sectores como la movilidad, la calefacción y el gas se integran al sistema eléctrico. Se prevé, por ejemplo, que el mercado de vehículos eléctricos se convierta en la principal fuente de capacidad de almacenamiento. Esta puede ser una opción más costosa, apropiada para una alta penetración de energías renovables variables, en comparación con otras fuentes de flexibilidad. ^{[ 83 ]} La Agencia Internacional de Energía afirma que la integración sectorial es necesaria para compensar el desajuste entre la demanda y la oferta estacionales. ^{[ 84 ]}

Los vehículos eléctricos pueden cargarse durante períodos de baja demanda y alta producción, y en algunos lugares envían energía de vuelta desde el vehículo a la red . ^{[ 85 ] [ 86 ]}

Se estima que la penetración máxima de la energía eólica y solar combinada oscila entre el 70 % y el 90 % sin agregación regional, gestión de la demanda ni almacenamiento; y hasta el 94 % con 12 horas de almacenamiento. ^{[ 95 ]} Es probable que la eficiencia económica y las consideraciones de costos sean los factores más importantes; las soluciones técnicas podrían permitir considerar niveles de penetración más altos en el futuro, especialmente si las consideraciones de costos son secundarias.

Las estimaciones del costo de la energía eólica y solar pueden incluir estimaciones de los costos externos de la variabilidad eólica y solar, o limitarse al costo de producción. Toda planta eléctrica tiene costos independientes del costo de producción, como, por ejemplo, el costo de la capacidad de transmisión necesaria o la capacidad de reserva en caso de pérdida de capacidad de generación. Muchos tipos de generación, en particular los derivados de combustibles fósiles, presentan externalidades de costos como la contaminación, las emisiones de gases de efecto invernadero y la destrucción del hábitat , que generalmente no se contabilizan directamente.

La magnitud de los impactos económicos es objeto de debate y variará según la ubicación, pero se prevé que aumente con mayores niveles de penetración. Se considera que, con bajos niveles de penetración, los costos como las reservas operativas y los costos de equilibrio son insignificantes.

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

• Capacidad de transmisión: la capacidad de transmisión puede ser más costosa que la de la generación nuclear y de carbón debido a factores de carga más bajos. Generalmente, la capacidad de transmisión se dimensionará según la producción máxima proyectada, pero la capacidad promedio para la energía eólica será significativamente menor, lo que aumentará el costo por unidad de energía transmitida. Sin embargo, los costos de transmisión representan una fracción baja de los costos totales de la energía. ^{[ 96 ]}
• Reserva operativa adicional: si la energía eólica y solar adicional no se corresponde con los patrones de demanda, puede ser necesaria una reserva operativa adicional en comparación con otros tipos de generación; sin embargo, esto no implica mayores costos de capital para las plantas adicionales, ya que se trata simplemente de plantas existentes que operan a baja producción (reserva giratoria). Contrariamente a las afirmaciones de que toda la energía eólica debe estar respaldada por una cantidad igual de "capacidad de respaldo", los generadores intermitentes contribuyen a la capacidad base "siempre que exista alguna probabilidad de producción durante los períodos pico". La capacidad de respaldo no se atribuye a generadores individuales, ya que la reserva de respaldo u operativa "solo tiene sentido a nivel del sistema". ^{[ 97 ]}
• Costos de equilibrio: para mantener la estabilidad de la red, pueden incurrirse en algunos costos adicionales para equilibrar la carga con la demanda. Si bien las mejoras en el equilibrio de la red pueden ser costosas, pueden generar ahorros a largo plazo. ^{[ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ]}

En muchos países, para diversos tipos de energía renovable variable, el gobierno invita periódicamente a las empresas a presentar ofertas selladas para la construcción de una determinada capacidad de energía solar que se conectará a subestaciones eléctricas específicas. Al aceptar la oferta más baja, el gobierno se compromete a comprar a ese precio por kWh durante un número fijo de años, o hasta alcanzar una determinada cantidad total de energía. Esto proporciona seguridad a los inversores frente a la alta volatilidad de los precios mayoristas de la electricidad. ^{[ 102 ] [ 103 ] [ 104 ]} Sin embargo, aún pueden correr el riesgo de sufrir volatilidad cambiaria si se endeudan en moneda extranjera. ^{[ 105 ]}

El operador del sistema eléctrico británico ha declarado que podrá operar con cero emisiones de carbono para 2025, siempre que haya suficiente generación de energía renovable, y que podría ser negativo en carbono para 2033. ^{[ 106 ]} La empresa, National Grid Electricity System Operator, afirma que los nuevos productos y servicios ayudarán a reducir el coste total de operación del sistema. ^{[ 107 ]}

En países con una cantidad considerable de energía renovable, la energía solar provoca caídas de precios alrededor del mediodía todos los días. La producción fotovoltaica sigue la mayor demanda durante estas horas. Las imágenes a continuación muestran dos semanas de 2022 en Alemania, donde la energía renovable tiene una participación de más del 40 %. ^{[ 108 ]} Los precios también bajan todas las noches y los fines de semana debido a la baja demanda. En las horas sin energía fotovoltaica ni eólica, los precios de la electricidad suben. Esto puede provocar ajustes en el lado de la demanda. Si bien la industria depende de los precios por hora, la mayoría de los hogares privados todavía pagan una tarifa fija. Con los contadores inteligentes , los consumidores privados también pueden verse incentivados, por ejemplo, a cargar un coche eléctrico cuando hay suficiente energía renovable disponible y los precios son bajos.

La flexibilidad controlable en la producción de electricidad es esencial para respaldar las fuentes de energía variables. El ejemplo alemán muestra que el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo, las centrales de gas y el carbón bituminoso se adaptan rápidamente. El lignito varía a diario. La energía nuclear y la biomasa pueden, en teoría, ajustarse hasta cierto punto. Sin embargo, en este caso, los incentivos aún no parecen ser suficientes.

Producción de energía renovable y convencional en Alemania durante dos semanas de 2022. En las horas de baja producción eólica y fotovoltaica, el carbón y el gas cubren la demanda. La energía nuclear y la biomasa muestran una flexibilidad casi nula. La energía fotovoltaica sigue el aumento del consumo durante el día, pero varía estacionalmente.

Mercado eléctrico en Alemania durante dos semanas de 2022. Con la integración de la energía solar fotovoltaica, los precios bajan alrededor del mediodía todos los días a pesar de una mayor demanda. Los precios también bajan todas las noches y los fines de semana debido a la baja demanda. Una alta disponibilidad de energía eólica provoca los bajos precios en la mitad derecha. En las horas sin energía fotovoltaica ni eólica, el sustituto más caro determina el precio. Los niveles extremos del gas natural en 2022 fueron causados ​​por la invasión rusa de Ucrania. La baja disponibilidad de energía nuclear francesa durante esos meses aumentó la demanda de exportaciones.