La exigencia de convertir la matriz energética global a una matriz limpia y renovable deja de ser un deseo y se convierte en una necesidad dados los impactos ambientales, económicos y sociales de las fuentes de energía tradicionales.
Cambiar la matriz energética no depende únicamente de la buena voluntad política y las condiciones económicas. Existen dificultades técnicas con el ingreso de un número importante de grandes plantas que utilizan fuentes intermitentes como la solar y la eólica, que requieren la adopción de sistemas de almacenamiento para estabilizar el sistema eléctrico en diferentes ventanas de tiempo.
Estabilidad de la red y exceso de energía solar
Una red de distribución eléctrica generalmente no cuenta con elementos de almacenamiento de energía. El ONS (Operador Nacional del Sistema) debe analizar constantemente la cantidad de energía generada y consumida para equilibrar ambas cifras. El exceso o la falta de generación de energía pueden causar desequilibrios de tensión y frecuencia en la red, lo que genera inestabilidad y fallos en cascada que, en casos extremos, pueden provocar un apagón a gran escala.
La alta penetración de fuentes intermitentes en una red eléctrica sin almacenamiento dificulta enormemente el control de la estabilidad. El almacenamiento de energía es fundamental para permitir la expansión del uso de fuentes de energía como la solar y la eólica, mitigando así los problemas de estabilidad de la red.
Además del problema de la entrada de nuevas fuentes de energía al mercado, los sistemas eléctricos suelen presentar perfiles de consumo que varían a lo largo de los días y meses del año. La Figura 1 muestra una curva de carga típica del sistema eléctrico brasileño en un día de verano. En ciertos momentos, se producen picos de consumo, principalmente causados por el uso de aires acondicionados.
Además de los picos diarios, que requieren un control constante del despacho de las centrales hidroeléctricas y termoeléctricas, estos perfiles cambian con el tiempo y exigen la adopción de diferentes estrategias de despacho a lo largo del año. La adopción masiva de sistemas de almacenamiento en los sistemas eléctricos, además de facilitar la penetración de nuevas fuentes intermitentes, puede facilitar el control de la red, ahorrando agua en los embalses hidroeléctricos y evitando la entrada de centrales termoeléctricas para satisfacer los picos de demanda.
El operador californiano CAISO (Operador Independiente de Servicios de California) es un ejemplo de distribuidor con una fuerte penetración de energía solar. Tomando como ejemplo el 22 de julio de 2020 (verano norteamericano), podemos observar (Figuras 2 y 3) que, en el momento de máxima generación de energía solar, esta fuente representaba 12 GW de potencia, frente a aproximadamente 25 GW de potencia total, lo que representa una participación de casi el 50 % de la potencia de generación disponible en la red.
En las figuras anteriores, mientras la generación solar alcanza su pico máximo, se controlan otras fuentes para reducir su potencia y garantizar la estabilidad del sistema de distribución. Sin embargo, al final de la tarde, la energía solar disminuye drásticamente, mientras que la demanda de energía aumenta, como se ejemplifica en la Figura 1 para el sistema eléctrico brasileño.
Esta diferencia entre potencia disponible y potencia requerida hace necesario un incremento brusco de potencia proveniente de otras fuentes de generación (en la red CAISO, principalmente gas natural, hidroeléctricas tradicionales y compra de energía a estados vecinos) y crea dificultades al sistema. operador.
Una ubicación con alta generación solar necesitará, en algún momento, tecnologías de almacenamiento o centrales térmicas o hidroeléctricas para complementar su generación. La Figura 4 ilustra las curvas que muestran el comportamiento horario de la demanda energética de la red CAISO a lo largo del día. La caída repentina del consumo al inicio del día y el fuerte aumento al final de la tarde obligan a activar plantas auxiliares de fuentes despachables y no renovables.
La figura 5, a su vez, muestra diferentes curvas de consumo de una red eléctrica para un mismo día en diferentes años, mostrando cómo el perfil de consumo ha ido cambiando a lo largo de los años, complejizando la gestión de las redes eléctricas, hecho que puede verse agravado por la penetración de fuentes de energía intermitentes.
Vale recordar que esta situación no ocurre con niveles bajos de penetración, como en el caso brasileño, donde sólo una pequeña fracción de la energía proviene de fuentes solares y eólicas, situación que debería cambiar en los próximos años.
![Figura 5 - Variaciones en la demanda de consumo horario de una red eléctrica a lo largo de los años, con una variación acentuada de la demanda a lo largo de las horas del día. Fuente- [2]](https://canalsolar.com.br/wp-content/uploads/2021/03/Variacoes-da-demanda-horaria-de-consumo-de-uma-rede-eletrica-ao-longo-dos-anos-com-a-acentuacao-da-variacao-de-demanda-a.jpg)
Almacenamiento a gran escala con plantas hidráulicas reversibles
Una solución propuesta para el escenario de alta penetración de fuentes intermitentes, como la solar y la eólica, es el almacenamiento de energía a gran escala. Podemos utilizar el almacenamiento para suavizar las fuertes variaciones en las curvas de potencia de las plantas de energía solar y eólica, o incluso para absorber los picos de generación durante los períodos de mayor generación.
Una curva de generación más suave permite una mayor seguridad de la red, ya que las variaciones del flujo de energía son más lentas, y también resuelve una crítica común a las fuentes intermitentes, que requieren la asistencia de centrales térmicas en momentos de alto consumo y baja generación. La presencia de sistemas de almacenamiento aumenta la previsibilidad de la generación, reduciendo la dependencia de fuentes complementarias contaminantes en sistemas con una fuerte penetración de fuentes solares y eólicas.
Otro aspecto en el que los sistemas de almacenamiento a gran escala pueden ser beneficiosos es su asociación con los modelos de pronóstico climático y la planificación de la generación a partir de fuentes intermitentes. Ya existen estudios que correlacionan los modelos climáticos [3] con el pronóstico de la generación de energía solar o eólica, asociados a sistemas de almacenamiento y control, para reducir la intermitencia de estas fuentes.
El almacenamiento de energía está estrechamente relacionado con el concepto de baterías eléctricas, que son especialmente adecuadas para el almacenamiento a corto plazo y suelen tener ciclos de carga y descarga diarios. Este tipo de sistema de almacenamiento desempeña un papel importante en muchos escenarios de las redes eléctricas, e incluso es el más adecuado para aplicaciones con pequeños generadores (como la generación distribuida, por ejemplo).
Para permitir una gran penetración de fuentes como la energía solar en los sistemas eléctricos, es fundamental que además del almacenamiento a corto plazo con baterías (ciclos de horas o días), tengamos disponible almacenamiento a gran escala (mediano y largo plazo), con capacidad de almacenamiento de semanas, meses e incluso años.
Entre los métodos de almacenamiento de energía a medio y largo plazo, el que más destaca y es objeto de numerosos estudios [4] es el bombeo de agua a embalses de centrales hidroeléctricas mediante energía solar y eólica. Este tipo de sistema utiliza centrales hidroeléctricas reversibles asociadas a fuentes de energía solar o eólica, y puede operar con la fuente solar de dos maneras: híbrida (con energía solar despachada a la red) o exclusiva (solar solo para bombeo).
Una central hidroeléctrica híbrida es aquella en la que se utiliza energía solar para complementar la generación de la central hidroeléctrica y, de ser necesario (en un escenario de alta penetración y excedente de energía solar), se utiliza para bombear agua al embalse. Por otro lado, la energía solar destinada exclusivamente al bombeo no tiene conexión directa a la red de distribución, ya que se utiliza únicamente para bombear agua, con la ventaja de ser más económica y sencilla de implementar.
El bombeo de agua a los embalses de las centrales hidroeléctricas es un proceso con una eficiencia de alrededor del 80% [5]. Aunque menos eficiente que las baterías electroquímicas, el almacenamiento de agua por bombeo está disponible a gran escala y puede permitir la penetración masiva de fuentes solares y eólicas en los sistemas eléctricos.
En lugar de enviar energía de forma intermitente a la red, esta se almacena en baterías hidráulicas para su uso posterior, según la demanda. Los depósitos de las centrales eléctricas reversibles (que cuentan con sistemas de bombeo) son verdaderas baterías de energía hidráulica, que pueden cargarse o descargarse como las baterías electroquímicas tradicionales.
En épocas de excedente de energía solar, el agua se bombea al embalse alto. En momentos de mayor demanda de energía, la central hidroeléctrica aumenta su caudal hacia las turbinas de generación.
Este tipo de almacenamiento es capaz incluso de almacenar energía durante largos periodos de tiempo. Por ejemplo, el excedente de energía solar en verano puede transformarse en energía potencial almacenada (aumentando el nivel de los embalses de agua) y convertirse en energía eléctrica a través del flujo de agua a través de la planta hidroeléctrica en invierno.
Mediante el uso de modelos de pronóstico climático, podemos almacenar energía para las semanas lluviosas o nubladas, cuando la generación de energía solar se ve gravemente afectada. Incluso se pueden instalar módulos fotovoltaicos en estructuras flotantes en embalses, lo que reduce la evaporación del agua, mejora el rendimiento gracias a la baja temperatura y aprovecha terrenos previamente inactivos.
Este tipo de almacenamiento presenta desafíos: la construcción de nuevas centrales hidroeléctricas implica grandes inversiones e impactos ambientales. La solución es modernizar las centrales existentes. La implementación de plantas fotovoltaicas flotantes y la instalación de bombas de agua forman una combinación perfecta que no requiere grandes renovaciones en las centrales existentes.
Ya existen plantas en el mundo donde la propia turbina que gira con la cascada ya tiene integrado un mecanismo de bombeo que devuelve el agua al embalse superior cuando hay exceso de generación, como se ilustra en la Figura 9. En el sistema ilustrado, el agua se bombea al embalse superior cuando hay exceso de energía en el sistema y se drena en los momentos de pico de consumo, aumentando el despacho de energía eléctrica a la red según la demanda.
La empresa Genex Power está desarrollando en Australia un proyecto muy interesante que combina una central hidroeléctrica reversible con generación solar. La central utilizará el cráter de una mina abandonada como depósito. Una planta solar cercana proporcionará energía para el bombeo, lo que permitirá almacenarla para su posterior distribución en horas punta. La planta solar tiene una capacidad de 270 MW y el depósito puede almacenar 200 MWh.
Plantas de almacenamiento por bombeo en Brasil y en el mundo
Las centrales hidroeléctricas reversibles ya son una realidad en muchos países, incluido Brasil. En 2019, según la AIE (Agencia Internacional de Energía), el mundo ya contaba con 127 GW de centrales hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo, lo que representaba el 99% de toda la energía de almacenamiento mundial.
El mismo organismo prevé que en 2050 deberíamos alcanzar los 309 GW de potencia en centrales hidroeléctricas reversibles asociadas a fuentes renovables. Hoy el mundo cuenta con 1267 GW de centrales hidroeléctricas tradicionales, sin reversibilidad.
Brasil es líder mundial en centrales hidroeléctricas, con una alta participación de esta fuente en su matriz energética, cercana al 60%. A pesar de su experiencia en el área, el país cuenta con muy pocas centrales hidroeléctricas reversibles. Un estudio reciente [7] muestra que, tanto en cantidad como en potencia, el país se encuentra rezagado en el uso de este tipo de almacenamiento, con solo cuatro centrales en operación.
Cuadro 1: Centrales hidroeléctricas reversibles en Brasil
Gran parte de los recursos hídricos de Brasil ya han sido explorados. Debido a los obstáculos ambientales provocados por las inundaciones de grandes superficies y la dificultad económica para realizar inversiones en la construcción de nuevas plantas, se espera que haya una disminución en el número de nuevos proyectos de este tipo.
Embora o país ainda tenha muito potencial de crescimento das energias solar e eólica antes que dificuldades técnicas como no caso da CAISO apareçam, é inevitável que os órgãos responsáveis pelo planejamento energético passem a incentivar a construção de usinas hidrelétricas reversíveis ou promover a adaptação de usinas existentes para este fin.
Actualmente, la gran discusión sobre la viabilidad de estos proyectos gira en torno a tres factores [8]:
- El modelo de remuneración para este tipo de aplicaciones solo remunera la energía generada y no los beneficios de disponibilidad, almacenamiento y estabilidad de la red que permite la tecnología;
- Alto costo de bombeo;
- Licenciamiento ambiental para cimas de cerros.
El coste de la solución, considerando únicamente el aspecto de la energía solar fotovoltaica, debería disminuir conforme aumenta el mercado solar, junto con el desarrollo de nuevas soluciones de bombeo y la reutilización de zonas inundadas con paneles solares flotantes. En el aspecto ambiental, se propone flexibilidad para la construcción de embalses artificiales en las cimas de las colinas.
Un futuro con una gran proporción de plantas reversibles está cerca. El Plan Decenal de Expansión Energética [9] ya incluye una previsión para la construcción de plantas reversibles en Brasil a partir de 2026. Las plantas reversibles, combinadas con otros tipos de sistemas de almacenamiento de energía, son esenciales para garantizar un escenario con una alta penetración de fuentes de energía renovables en la matriz energética.
Referencias
[1] Análisis de los beneficios de adherirse a la tarifa blanca como forma de gestión energética residencial. Evandro André Konopatzki, Samir Ferreira, Filipe Marangoni, 2015
[2] Lo que nos dice la curva del pato sobre la gestión de una red verde, CAISO, California, EE. UU.
[3] Programación óptima de operación de una central hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo en un sistema eléctrico con una gran penetración de generación fotovoltaica mediante algoritmo genético. Aihara R, Yokoyama A, Nomiyana F, Kosugi N. En: Power Tech, 2011 IEEE Trondhaim 2010
[4] Una revisión de los sistemas mecánicos de almacenamiento de energía combinados con aplicaciones eólicas y solares. Mahmoud, M., Ramadan, M., Olabi, A.-G., Pullen, K. y Naher, S. Conversión y gestión de energía, 2020
[5] Sistema de almacenamiento de energía hidráulica por bombeo: una revisión tecnológica. Reseñas de energías renovables y sostenibles. Rehman, S., Al-Hadhrami, LM y Alam, MM, 2015
[6] Sistemas de almacenamiento de energía hidráulica con bombeo solar-eólico: revisión y perspectiva futura. Javed, M.S., Ma, T., Jurasz, J. y Amin, MY Renewable Energy, 2020
[7] Centrales hidroeléctricas reversibles en Brasil y en el mundo: aplicación y perspectivas. Canaly otros. Revista Electrónica de Gestión, Educación y Tecnología Ambiental Santa María. v. 19, n. 2, mayo-agosto. 2015
[8] Centrales Hidroeléctricas Reversibles: Breve revisión conceptual y perspectivas para el escenario brasileño. Thiago Modesto de Abreu, Bernalize Vila Nova, Edson Bortoni, José Lima, 2020
[9] Plan decenal de expansión y energía 2030, EPE
[10] Perspectivas de hoy, CAISO, California, EE. UU.
Comentários (2)
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Felicitaciones por el artículo.
Excelente artículo, nos hace ver la viabilidad del almacenamiento de energía a gran escala de manera eficiente! Soy un profesional especializado en centrales hidroeléctricas y creo que el futuro de las energías renovables “intermitentes” depende mucho de nuestra capacidad de almacenar esta energía de forma inteligente y eficiente.