Con los objetivos federales de reducción de emisiones anunciados recientemente, un impulso para la descarbonización del sector eléctrico nacional y la caída de los costos de la energía eólica y solar, Estados Unidos está listo para desplegar grandes cantidades de energías renovables y rápido.
A escalas más pequeñas, cientos de ciudades, estados y corporaciones de EE. UU. ya han tomado medidas audaces para establecer sus propios objetivos locales para lograr el 100% de energía renovable —Y con análisis recientes como el Estudio de Energía 100% Renovable de Los Ángeles (LA100), tenemos una confianza cada vez mayor en que las redes eléctricas confiables y 100% renovables son factibles.
Pero expandir este objetivo final en todo Estados Unidos presenta un conjunto igualmente amplio de desafíos, y la plausibilidad de hacerlo ha sido un tema de ferviente debate entre la comunidad de investigación energética en los últimos años. Ahora, un equipo de 17 expertos en sistemas de energía del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable (EERE) del DOE están respondiendo con una nueva perspectiva.
La investigación ofrece una perspectiva extraída de la experiencia del mundo real en la implementación de energías renovables variables, la literatura y la experiencia de nuestro equipo al estudiar estos temas en detalle durante las últimas dos décadas en una variedad de escalas, desde nuestro Estudio de Futuros de Electricidad Renovable a escala nacional de 2012 hasta nuestro 2021 trabajar en LA100 ”, dijo Paul Denholm, analista principal de energía de NREL y autor principal del artículo. “Si bien nuestro enfoque aquí está en el sistema eléctrico de EE. UU., Muchos de los problemas abordados y las lecciones aprendidas se aplican de manera más general a otras regiones, y estos son desafíos complejos y multidisciplinarios que requerirán mucha colaboración entre la comunidad de investigadores para resolverlos”.
Lo primero es lo primero: definir lo que entendemos por una red 100% renovable
Al analizar los desafíos de lograr una red a escala nacional con energía 100% renovable, es importante primero definir con precisión qué queremos decir con esa frase. Para este artículo, los autores explican dos aspectos clave de la definición: la tecnología tipo y límite del sistema.
“El tipo de tecnología esencialmente establece la definición de la palabra renovable, que puede variar según los parámetros de un estudio de investigación o las prioridades de una comunidad que establece un objetivo o política renovable”, dijo Denholm. “Aquí, distinguimos entre dos tipos generales de tecnologías: lo que llamamos tecnologías variables que dependen de las condiciones climáticas a corto plazo y generalmente usan inversores, como la energía eólica y solar fotovoltaica [PV]; y los que son menos variables, o nada en absoluto, y suelen utilizar generadores síncronos tradicionales, que incluyen energía hidroeléctrica, de biomasa, geotérmica y de concentración solar ".
En este documento, los sistemas 100% renovables no se limitan solo a tecnologías variables como la energía solar fotovoltaica y la eólica. Sin embargo, debido a que los recursos renovables no variables generalmente están restringidos geográficamente, los autores generalmente asumen que los variables constituirían una gran fracción de una red 100% renovable a escala nacional.
Cuando se trata de definir los límites del sistema, los autores exigen que la red funcione físicamente con un suministro de energía 100% renovable en todo momento. Esto contrasta con los sistemas, negocios o entidades corporativas que logran objetivos 100% renovables utilizando créditos de energía renovable, compensaciones u otros mecanismos financieros.
Lo que sabemos, lo que creemos que sabemos y lo que no sabemos
Para enmarcar las preguntas más críticas y proponer una agenda de investigación hacia las soluciones, los autores exploran la contribución cada vez mayor de las energías renovables en el sistema eléctrico de EE. UU. A lo largo de tres líneas: 1) lo que sabemos con base en la experiencia del mundo real, 2) lo que creemos que sabemos. basado en estudios de planificación y operación de la red, y 3) lo que no sabemos sin estudios o experiencia adicionales.
“Nuestro énfasis está en las preguntas que creemos que se pueden abordar a través del desarrollo tecnológico y la ingeniería, pero reconocemos que otros temas son de importancia crítica, desde consideraciones de ubicación hasta preocupaciones de equidad energética, políticas, regulaciones y desafíos de diseño de mercado”, dijo Denholm. "Queremos abrir un camino para resolver los problemas técnicos y económicos de modo que podamos abordar mejor otros aspectos complejos de la transición del sistema de energía".
En lugar de centrarse únicamente en el objetivo final de una red 100% renovable, el equipo analiza cómo los desafíos de incorporar energías renovables cambian con el aumento de la implementación. Esto se debe en parte a la falta de un análisis de ingeniería detallado de los sistemas 100% renovables a escala nacional, pero también a que los planes prácticos para lograr el objetivo no se desarrollarían a partir de una pizarra en blanco. Las soluciones sólidas 100% renovables deben considerar cómo utilizar de manera óptima los activos del sistema de energía existente.
“En última instancia, los desafíos de ingeniería, los costos y los beneficios de las energías renovables varían en función de su participación en la combinación de generación”, dijo Denholm. "El 100% es solo un punto en un continuo, por lo que es útil explorar los costos y beneficios en todos los niveles de implementación de renovables".
Dentro de este marco, el documento organiza los desafíos tecnoeconómicos de lograr el 100% de energías renovables en todas las escalas de tiempo en dos categorías: 1) mantener económicamente un equilibrio de oferta y demanda (conocido como el desafío del equilibrio) y 2) diseñar técnicamente confiables y estables. redes que utilizan principalmente recursos basados en inversores como la energía eólica y solar (lo que se conoce como el Desafío del inversor).
El desafío del equilibrio: hacer coincidir económicamente la oferta con la demanda
El desafío del equilibrio se reduce a asegurarse de que el sistema de energía pueda equilibrar económicamente el suministro y la demanda en una variedad de escalas de tiempo, desde la escala crítica de segundos a minutos requerida para resistir cortes inesperados, hasta la escala estacional que coincide con las interrupciones y el mantenimiento programados de la planta de energía. con periodos de menor demanda.
“Los recursos variables son solo eso, variables, por lo que fluctúan inherentemente en varias escalas de tiempo”, dijo Denholm. “Existe lo que llamamos un desajuste diurno entre el momento del pico de demanda y cuando la generación solar y eólica es más alta durante el día, lo que vemos en fenómenos como la curva del pato. Más allá de eso, existe un desajuste estacional significativo entre los patrones de demanda eólica, solar y que es aún más difícil de abordar ".
Este cuadro del documento ilustra conceptualmente el desafío del equilibrio en términos de cómo los costos y desafíos esperados pueden cambiar con el creciente despliegue de energías renovables. En los niveles actuales, la energía renovable es competitiva en costos con las fuentes de generación tradicionales en muchas regiones de los Estados Unidos porque la industria de servicios públicos ha podido abordar de manera rentable la variabilidad horaria y sub-horaria.
Más allá de estos niveles, llegamos a la segunda zona, donde los estudios han explorado cómo el problema del desajuste diurno podría abordarse de manera rentable para alcanzar contribuciones anuales en el rango del 80% de energías renovables. Pero más allá de este punto, en la tercera zona, el problema del desajuste estacional puede requerir tecnologías que aún no se han implementado a gran escala, por lo que sus costos y requisitos no están claros.
El desafío del inversor: diseñar redes fiables y estables que dependan de recursos basados en inversores
El Inverter Challenge es similar al Balance Challenge en que ambos implican equilibrar la oferta y la demanda en varias escalas de tiempo. Pero el Desafío del inversor es diferente en el sentido de que las preocupaciones se centran estrictamente en un conjunto de consideraciones de ingeniería específicas, en contraposición a los problemas económicos más amplios asociados con el Desafío del equilibrio.
El Desafío del inversor tiene que ver con los problemas asociados con la transición a una red dominada por recursos basados en inversores (IBR), principalmente la generación eólica y solar fotovoltaica, junto con el almacenamiento de baterías.
La mayor parte de la energía eléctrica en los Estados Unidos se obtiene actualmente de turbinas acopladas a generadores síncronos; los generadores están acoplados eléctricamente y giran a la misma frecuencia. Para proporcionar una red confiable y estable, los planificadores y operadores de sistemas han aprovechado varias características inherentes de los generadores síncronos, incluida la inercia rotacional (energía cinética almacenada en grandes masas rotativas) y la capacidad de inyectar grandes cantidades de corriente en la red. Estas características son la base de la estabilidad y protección del sistema de energía tradicional.
"Los recursos basados en inversores tienen características muy diferentes en comparación con los generadores síncronos, incluida la falta de respuesta inercial acoplada físicamente e, históricamente, una capacidad limitada para proporcionar grandes cantidades de corriente en condiciones de falla", dijo Ben Kroposki, director de Ingeniería de Sistemas de Energía de NREL. Centro y coautor del artículo. "Por lo tanto, a medida que dependemos más de los recursos basados en inversores, estos deberán proporcionar los servicios que actualmente proporcionan los generadores síncronos, lo que puede significar cambios en la forma en que se controla y protege el sistema de energía".
Entonces, ¿qué es lo que no sabemos?
El documento explora en detalle tanto el Desafío del equilibrio como el Desafío del inversor, incluidas las importantes preguntas sin respuesta que quedan cuando se trata de acercarse o lograr el 100% de energías renovables a escala nacional durante todas las horas del año.
“No hay una respuesta simple sobre hasta qué punto podemos aumentar la implementación de renovables antes de que los costos aumenten drásticamente o la confiabilidad se vea comprometida”, dijo Denholm. “En cuanto al 'último porcentaje' del camino hacia el 100%, no hay consenso sobre una vía clara y rentable para abordar tanto el Desafío del equilibrio como el Desafío del inversor a escala nacional.
"Los estudios no han encontrado ningún umbral técnico específico en el que la red se 'rompa", y no podemos simplemente extrapolar los análisis de costos anteriores porque, cuando se trata del futuro, hay muchas no linealidades e incógnitas desconocidas, cosas que ni siquiera conocemos. sabemos que aún no lo sabemos ".
Los autores dicen que se necesita investigación adicional para evaluar el conjunto de tecnologías que pueden ayudar a garantizar que el suministro renovable coincida con los patrones de demanda en todos los períodos de tiempo, y que necesitaremos una ingeniería y un diseño importantes para hacer la transición de la red de una que depende de máquinas síncronas a otra. que se basa en inversores.
¿A dónde vamos desde aquí? Un llamado a la colaboración y una reevaluación continua
Lograr un futuro de alta electricidad renovable para los Estados Unidos requerirá más que solo abordar los desafíos del equilibrio y el inversor, incluido el acceso a los recursos, el medio ambiente, el mercado y los problemas de comportamiento humano que por sí mismos pueden afectar el diseño y el ritmo para llegar al 100% de electricidad renovable. . Estos son desafíos complejos y multidisciplinarios que ninguna entidad puede resolver y requerirán la colaboración de las comunidades de investigación técnica, la academia, los laboratorios y la industria.
"Las preguntas sin respuesta de nuestro artículo proporcionan una agenda de investigación para el análisis, la I + D de tecnología y la ingeniería necesarios para lograr sistemas 100% renovables rentables", dijo Dan Bilello, director del Centro de Análisis de Energía Estratégica de NREL y coautor del artículo. . "No solo necesitamos nuevas herramientas y conjuntos de datos para avanzar en estudios futuros, sino que necesitamos una terminología más uniforme y una interacción más sencilla entre investigadores y organizaciones de investigación, especialmente en diferentes campos".
Además, los autores señalan la necesidad de reexaminar continuamente el camino más eficaz hacia las metas nacionales de reducción de emisiones y descarbonización, ya sea mediante electricidad 100% renovable o mediante otra combinación de tecnologías bajas en carbono.
“En este momento, es difícil establecer una base económica para lograr estos beneficios ambientales en una red alimentada exclusivamente por energías renovables”, dijo Denholm. “Reducir económicamente las emisiones totales probablemente implicará lograr una generación de energías renovables muy alta, pero potencialmente inferior al 100%, al tiempo que se centra en descarbonizante otros sectores, o manteniendo los recursos no renovables pero con bajas emisiones de carbono en la mezcla ".
El estudio LA100, aunque no a escala nacional, encontró que la electrificación de los sectores de vehículos y edificios puede conducir a mejoras sustanciales en la calidad del aire, y que lograr estos beneficios es principalmente una cuestión de lograr una alta eficiencia energética y electrificación, independientemente de cualquier energía renovable en particular. Vía energética para el sector energético. LA100 también encontró que las restricciones tecnológicas resultan en costos más altos cuando se trata de satisfacer el último 10% de la demanda de electricidad con energía renovable, con reducciones incrementales mínimas de emisiones.
"De cara al futuro, la investigación y el análisis continuos y un enfoque adaptable a las soluciones tecnológicas ayudarán a guiar la industria de la electricidad y aumentarán nuestras probabilidades de lograr los objetivos de descarbonización a los que nos dirigimos en última instancia cuando hablamos de energías 100% renovables", dijo Denholm.