Un creciente cuerpo de investigación ha demostrado que los sistemas de energía altamente renovables rentables son posibles, pero los costos aumentan a medida que los sistemas se acercan al 100% de electricidad libre de carbono, lo que se conoce como el "último problema del 10%".

El aumento de los costos se debe en gran medida a un desajuste estacional entre el momento de la generación y la demanda de energía renovable variable. Satisfacer la demanda máxima es un desafío y costoso para todos los sistemas de energía, pero abordar el problema del desajuste estacional para los sistemas de energía de alta energía renovable puede requerir tecnologías que aún no se han implementado a gran escala. Eso hace que sus costos y requisitos no estén claros.

Para ayudar a avanzar hacia posibles soluciones para este desafío, un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) estudió las ventajas y desventajas de seis posibles estrategias tecnológicas para obtener del 90 % al 100 % de electricidad libre de carbono en los Estados Unidos. Este trabajo se publica en un Joule artículo y puede ayudar a informar la toma de decisiones hoy.

"Ninguna de las estrategias es perfecta y queda mucha incertidumbre, pero el estudio destaca los desafíos clave con el último 10% y examina todas las principales opciones tecnológicas", dijo Trieu Mai, analista de NREL y autor principal del estudio. "Será importante realizar más investigación y desarrollo para acercarnos a una solución clara para el último 10 % y hacer avanzar a Estados Unidos hacia un sector energético descarbonizado".

Lo que sabemos hasta ahora sobre el último desafío del 10 %

NREL ha estado estudiando una variedad de preguntas relacionadas con lograr una generación 100 % renovable en los Estados Unidos.

En un Joule anterior artículo, NREL describió los desafíos tecnoeconómicos de lograr el 100% de energías renovables en todas las escalas de tiempo. El estudio exploró dos tipos de desafíos:uno relacionado con el mantenimiento económico de un equilibrio entre la oferta y la demanda y otro desafío relacionado con el diseño de redes técnicamente confiables y estables utilizando principalmente recursos basados ​​en inversores, como la eólica y la solar.

En un estudio de seguimiento, NREL utilizó capacidades de modelado de última generación para comprender las posibles vías y los costos del sistema de transición a una red eléctrica 100 % renovable. Resultados, publicados en otro Joule artículo, muestran que los costos son significativamente más bajos si existe una fuente rentable de capacidad firme:recursos que pueden proporcionar energía durante los períodos de menor generación eólica y solar, demanda extremadamente alta y eventos no planificados como cortes en las líneas de transmisión. Otros recursos además del almacenamiento eólico, solar y diurno o la flexibilidad de carga podrían ser importantes para superar el último porcentaje a una red eléctrica 100 % renovable.

En el Estudio de energía 100 % renovable de Los Ángeles (LA100), NREL usó varios modelos para examinar qué recursos podrían usarse para ayudar a alcanzar el último 10 % y mantener la confiabilidad de la ciudad de Los Ángeles. NREL también completó recientemente un estudio histórico sobre cómo lograr electricidad 100 % libre de carbono para 2035. El análisis muestra que existen múltiples caminos para lograr el objetivo en el que los beneficios ambientales y sociales superan los costos.

Este último julio El artículo se basa en los estudios de red de energía de alta generación renovable del NREL al explorar las ventajas y desventajas de posibles soluciones técnicas que podrían implementarse para el último porcentaje.

Seis estrategias para el último 10 %

La solución tecnológica ideal para el último 10% tiene tres características principales. En primer lugar, la solución ideal tiene crédito de alta capacidad para que la capacidad esté disponible durante los períodos de mayor estrés y pueda respaldar la adecuación de los recursos, una de las "tres R de la confiabilidad del sistema de energía" que debe tener éxito para un sistema de energía seguro y confiable. En segundo lugar, la solución ideal tiene costos de capital relativamente bajos porque no se usará con frecuencia. Y tercero, se basa en recursos ampliamente disponibles y se puede implementar a escala. NREL encuestó seis estrategias tecnológicas que tienen el potencial de cumplir con las tres características principales.

1. Energía renovable variable, transmisión y almacenamiento diurno

Una posible estrategia para alcanzar el último 10 % se basa en las tecnologías existentes que se están implementando actualmente. Esta estrategia genera más energía renovable variable, transmisión y almacenamiento diurno (menos de 24 horas). En esta opción, la energía renovable variable y la capacidad de transmisión se dimensionan para satisfacer la demanda durante los períodos de estrés diarios en la red, con el almacenamiento llenando los vacíos de suministro por hora y reduciendo el exceso de energía renovable variable (obtenga más información sobre la reducción en un video explicativo de NREL).

Esta estrategia podría ser más competitiva en costos si hay una mayor transmisión a larga distancia para mover la energía renovable variable de alto valor a los centros de demanda, y si las tecnologías eólica y solar continúan mejorando. Sin embargo, este enfoque podría ser más difícil si el uso de la tierra por energía eólica y solar y las restricciones del sitio aumentan con el tiempo; otro tema que NREL ha estado estudiando, incluida la publicación reciente de un nuevo conjunto de datos integrales de ordenanzas locales para la ubicación de proyectos de energía eólica y solar.

2. Otras energías renovables

Otra estrategia posible para el último 10 % utiliza tecnologías geotérmicas, hidroeléctricas y de biomasa que podrían desempeñar un papel importante en un sector energético de cero emisiones. Estas tecnologías no dependen de recursos solares y eólicos variables y pueden superar potencialmente el desajuste estacional. Sin embargo, la disponibilidad de recursos, especialmente en lugares con alta demanda de electricidad, puede reducir su utilización a regiones seleccionadas únicamente. Estos recursos también tienen costos de capital relativamente altos que podrían ser económicamente desafiantes como estrategia del último 10 %.

La generación a partir de biomasa podría ser otra opción para producir electricidad renovable para el último 10%. Esta opción tiene un costo de capital relativamente bajo, pero existen incertidumbres y restricciones sobre un suministro constante y sostenible de materia prima y el costo de conversión de biomasa.

3. Nuclear y fósil con captura de carbono

Los combustibles nucleares y fósiles con captura y almacenamiento de carbono (CCS) se citan ampliamente como recursos potencialmente importantes en un sistema eléctrico descarbonizado porque a menudo se cuenta con ellos de manera confiable durante todo el año. Las plantas Fossil CCS aún no se han implementado a escala, pero algunos estudios encuentran un potencial de implementación significativo.

Sin embargo, esta estrategia presenta desafíos:implementación reciente limitada, incertidumbres de costos y consideraciones ambientales y de seguridad, y el alto costo de capital para la baja utilización podría crear barreras económicas.

4. Almacenamiento estacional

El almacenamiento estacional se refiere al uso de electricidad para producir un combustible almacenable que se puede usar para la generación durante períodos prolongados, incluso durante temporadas completas del año. El hidrógeno u otros combustibles derivados del hidrógeno son actualmente las opciones más prometedoras para el almacenamiento estacional. La conversión de hidrógeno en electricidad se puede hacer utilizando pilas de combustible o tecnologías de combustión, que se están convirtiendo en hidrógeno. Estas opciones de generación de electricidad alimentadas por hidrógeno podrían tener bajos costos de capital en el futuro y ser viables como estrategias del último 10%. Las principales incertidumbres de esta estrategia incluyen la disponibilidad de la infraestructura de suministro y entrega de combustible (hidrógeno).

5. Eliminación de dióxido de carbono

Las tecnologías de eliminación de dióxido de carbono pueden compensar las emisiones de las tecnologías de generación de energía que emiten carbono al extraer el carbono atmosférico. Esta última estrategia del 10 % es única porque aprovecha otros activos de generación para respaldar la adecuación de los recursos en la red.

Si bien existe un valor único con las tecnologías de eliminación de dióxido de carbono, esta última opción del 10 % tiene desafíos de implementación. Todavía se ha implementado muy poca eliminación de dióxido de carbono en todo el mundo y los costos de la tecnología futura siguen siendo inciertos.

6. Recursos del lado de la demanda

Los recursos del lado de la demanda, también llamados respuesta a la demanda o flexibilidad de la demanda, son una solución única del último 10 % en comparación con las otras cinco estrategias estudiadas.

Los recursos del lado de la demanda reducen el consumo de electricidad durante los momentos de estrés del sistema y ayudan a evitar inversiones en nueva capacidad máxima. A través de la programación flexible o la interrupción del consumo de electricidad, también pueden reducir los costos operativos o utilizarse para importantes servicios de confiabilidad de la red. Los costos de capital para los controles del lado de la demanda y los equipos de comunicaciones pueden ser bajos y los costos operativos directos son modestos.

Sin embargo, la aplicación de opciones del lado de la demanda como una estrategia del último 10% requiere que los recursos estén disponibles de manera confiable durante períodos prolongados de varios días. La escala de respuesta necesaria en días de eventos extremos podría exceder el potencial de demanda-respuesta, y la flexibilidad de las nuevas cargas electrificadas es incierta.

"Dados los costos y la preparación de la tecnología actual, se pueden lograr reducciones significativas de emisiones mediante el despliegue acelerado de tecnologías de energía eólica, solar, de almacenamiento diurno, transmisión y otras energías renovables", dijo Paul Denholm, analista de NREL y coautor del estudio. "Otras tecnologías también podrían desempeñar un papel importante si se vuelven competitivas en costos y están ampliamente disponibles. Continuaremos estudiando estas posibles soluciones, pero por ahora, el camino hacia aproximadamente un 90 % de electricidad libre de carbono es cada vez más claro. Después de todo, llegar a El 100% requiere primero alcanzar el 90%". + Explora más

Vídeo:Cómo tener más que suficiente capacidad de energía renovable puede hacer que la red sea más flexible