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Planificación para sistemas integrados de energía

Artículo escrito por: Dr. Christopher Clack - Vibrant Clean Energy, LLC

Adaptación y traducción: Equipo energia-libre.com


Las nuevas tecnologías ya comienzan a conectarse rápidamente al sistema eléctrico. La conexión de estas tecnologías (eólica, solar, de almacenamiento, etc.) debe ser planificada para que todo el sistema eléctrico opere de forma correcta.

La planificación de los sistemas eléctricos ha sido un proceso relativamente tradicional basado en estudios y modelos. Sin embargo, en los últimos años, se ha producido un cambio, un reconocimiento de que los recursos de cero emisiones son más baratos que la generación de fósiles térmicos. La mayor ventaja es que existe una vía disponible para reducir las emisiones en el sector eléctrico, al tiempo que se reduce el costo.

El hecho de que la reducción de emisiones y costos está disponible simultáneamente para el sector eléctrico coincide con el reconocimiento de que el cambio climático antropogénico se debe principalmente a la quema de combustibles fósiles en la producción de energía. Sin embargo, el problema es que la electricidad no es la fuente completa de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), sino que es solo una parte. En la Figura 1, se muestra la proporción de las emisiones de Estados Unidos en diferentes sectores durante 2017.



Fuente: Las participaciones de emisiones de GEI para los Estados Unidos en 2017. Las emisiones totales fueron 5,143.8 millones de toneladas métricas. Fuente de datos de imagen Agencia Internacional de Energía, IEA.


Como la electricidad produce solo un tercio de las emisiones totales aproximadamente, los otros sectores también necesitan reducir sus emisiones para ayudar a mitigar el cambio climático. El problema es que el sector eléctrico es el único sector que tiene hoy un camino viable para reducir las emisiones a bajo costo (en comparación con las alternativas). Así, la respuesta se convierte en electrificación. Esto se refiere al proceso de remover un activo que consume un combustible fósil para sus necesidades de energía y reemplazarlo (o reutilizarlo) para usar la electricidad, de acuerdo a diferentes necesidades. El ejemplo con el que la mayoría de las personas están familiarizadas es comprar un vehículo eléctrico para reemplazar un vehículo con motor de combustión interna.

Durante el proceso de electrificación, se transfieren nuevas tensiones y oportunidades al sector eléctrico. La tasa de transición para electrificar a otros sectores, y la cantidad que puede ser electrificada, deben ser considerados. Esto da como resultado el paradigma de “Planificación para sistemas integrados de energía”.

La Figura 2 ilustra un sistema hipotético de energía que podría proporcionar servicios de energía mientras emitía cero GEI. La imagen es de Davis et al., 2018 (del que el autor de este estudio fue coautor). El sistema eléctrico tradicional se denota en verde. Estos recursos de electricidad se conectarán entre sí mediante transmisión, que se puede co-optimizar para mejorar los beneficios del intercambio de recursos, la diversidad geográfica y el suavizado de la demanda. Las plantas de energía eólica y solar son impulsadas por el clima y es fundamental modelarlas con datos de alta resolución a grandes escalas (tanto en el espacio como en el tiempo). Además, los datos meteorológicos deben incluirse para parametrizar la calificación de la ruta de transmisión, las tasas de calor de las centrales térmicas y los cambios en la demanda.


Fuente: Una imagen conceptual de un sistema energético integrado que puede descarbonizar la economía. Imagen de “Sistemas de energía de emisiones de cero cero”, Davis et al., Science, 2018


Los servicios que se proporcionan mediante electricidad podrían incluir vehículos eléctricos, calefacción comercial y residencial para espacios y agua, cargas industriales y producción de hidrógeno (para transporte de servicio mediano y pesado). Planear para estas nuevas demandas de electricidad requiere modelar su comportamiento con alta fidelidad. Para los vehículos eléctricos, surgen algunas preguntas inmediatas: ¿Cuándo cobran las personas sus vehículos? ¿Dónde deben ubicarse los cargadores? ¿Qué calificación deben ser? El mismo proceso debe realizarse para el calentamiento del agua, la calefacción de espacios y las cargas industriales. Estas nuevas demandas son difíciles de parametrizar perfectamente porque las demandas existen actualmente en niveles muy bajos. Tratar de predecir cómo se manifestarán estas cargas en el sistema eléctrico es un campo de investigación emergente.

La producción de hidrógeno (así como la producción de amoníaco y combustible sintético) debe modelarse con los parámetros para construir las instalaciones para producir el combustible, la infraestructura de transporte para mover el combustible y las instalaciones de almacenamiento para mantener el combustible localmente. La producción de combustible deberá tener suministro de electricidad, lo que proporciona uno de los recursos más flexibles del lado de la demanda.


Con el proceso de electrificación descrito anteriormente, las nuevas demandas vienen con una de las características críticas finales de la planificación de los sistemas de energía integrados: la flexibilidad. El lado de la demanda se puede enviar dentro del sistema de energía, de modo que, en lugar de simplemente suministrar la generación para una demanda fija, el sistema integrado puede reducir el consumo de energía para equilibrarse. Estos recursos del lado de la demanda pueden ser compensados ​​por su participación. Parte de la flexibilidad del lado de la demanda también podría provenir del almacenamiento y la energía solar detrás del medidor.


Por lo tanto, para planificar un sistema de energía integrado, el modelado debe reflejar todos los diferentes recursos descritos anteriormente: el lado de la demanda, el medidor, los recursos variables, la transmisión, el almacenamiento a escala de la red y los nuevos perfiles de demanda (espacial y temporal). Todos estos deben incluir datos meteorológicos de alta resolución, ya que serán el principal impulsor de la demanda y el suministro. Además, la plataforma de modelado debe ser lo suficientemente flexible como para expandirse a nuevas tecnologías, políticas y preocupaciones sociales.


Estos tipos de modelos para la planificación de sistemas de energía integrados son escasos porque son complejos, computacionalmente costosos y requieren múltiples disciplinas en su desarrollo. Sin embargo, son increíblemente importantes porque permiten vislumbrar posibles futuros que pueden mostrar propiedades muy diferentes del pasado. Las propiedades emergentes podrían ser contra intuitivas, guiar nuevas políticas o resaltar posibles problemas o desafíos que los modelos de baja fidelidad podrían no identificar. Estos nuevos modelos serán indispensables para ayudar a comprender los impactos y guiar la dirección de las nuevas inversiones en infraestructura energética a medida que avanzamos hacia un futuro con bajas emisiones de carbono.

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