Crédito:CC0 Dominio público
Los precios de la energía renovable han caído más de un 70 por ciento en la última década, lo que ha llevado a más estadounidenses a abandonar los combustibles fósiles por fuentes de energía más ecológicas y menos contaminantes. Pero a medida que la energía eólica y solar continúan avanzando, es posible que los operadores de la red tengan que planificar grandes cambios en la disponibilidad.
La advertencia proviene de Upmanu Lall, profesor de Ingeniería de Columbia y de la Escuela del Clima de Columbia, quien recientemente cambió su mirada del uso sostenible del agua a las energías renovables sostenibles en el impulso hacia las emisiones netas de carbono cero.
"Los diseñadores de sistemas de energía renovable deberán prestar atención a los patrones cambiantes del viento y la energía solar durante semanas, meses y años, como lo hacen los administradores del agua", dijo. "No podrá gestionar una variabilidad como esta con baterías. Necesitará más capacidad".
En un nuevo estudio de modelos en la revista Patterns , Lall y Columbia Ph.D. El estudiante Yash Amonkar muestra que el potencial solar y eólico varía ampliamente durante días y semanas, sin mencionar meses o años. Se centraron en Texas, que lidera el país en la generación de electricidad a partir de la energía eólica y es el quinto mayor productor de energía solar. Texas también cuenta con una red autónoma que es tan grande como la de muchos países, dijo Lall, lo que la convierte en un laboratorio ideal para trazar la promesa y el peligro de los sistemas de energía renovable.
Los investigadores de Columbia construyeron un modelo de IA para estimar la duración y la gravedad de una sequía energética en un sistema combinado de energía eólica y solar. Crédito:Upmanu Lall, Ingeniería de Columbia
Basándose en 70 años de datos históricos de energía eólica y solar, los investigadores construyeron un modelo de IA para predecir la probabilidad de una "sequía" a escala de red, cuando la producción diaria de energías renovables cae por debajo de un umbral objetivo. Bajo un umbral establecido en el percentil 30, cuando aproximadamente un tercio de todos los días son días de baja producción, los investigadores descubrieron que Texas podría enfrentar una sequía diaria de energía durante hasta cuatro meses seguidos.
Las baterías no podrían compensar una sequía de esta duración, dijo Lall, y si el sistema dependiera solo de la energía solar, se podría esperar que la sequía dure el doble, durante ocho meses. "Estos hallazgos sugieren que los planificadores de energía tendrán que considerar formas alternativas de almacenar o generar electricidad, o aumentar drásticamente la capacidad de sus sistemas renovables", dijo.
Anticipando futuras sequías de 'energía' en Texas y en todo el territorio continental de los Estados Unidos
La investigación comenzó hace seis años, cuando Lall y un ex estudiante de posgrado, David Farnham, examinaron la variabilidad eólica y solar en ocho aeropuertos de EE. UU., donde los registros meteorológicos tienden a ser más extensos y detallados. Querían ver cuánta variación se podía esperar bajo una red hipotética de energía 100 % renovable.
Los resultados, que Farnham publicó en su Ph.D. tesis, no fueron una sorpresa. Farnham y Lall descubrieron que el potencial solar y eólico, al igual que la lluvia, es muy variable según la época del año y el lugar donde se hayan ubicado las turbinas eólicas y los paneles solares. En ocho ciudades, encontraron que el potencial de energía renovable aumentó y disminuyó del promedio a largo plazo hasta en un tercio en algunas temporadas.
"Acuñamos el término sequías de 'energía' ya que un ciclo de 10 años con tanta variación del promedio a largo plazo sería visto como una gran sequía", dijo Lall. "Ese fue el comienzo del trabajo de sequía energética".
En el estudio actual, Lall eligió enfocarse en Texas, un estado bien dotado de sol y viento. Lall y Amonkar descubrieron que las sequías persistentes de energía renovable podrían durar hasta un año, incluso si los generadores solares y eólicos se distribuyeran por todo el estado. La conclusión, dijo Lall, es que las energías renovables enfrentan un problema de almacenamiento que solo puede resolverse de manera realista agregando capacidad adicional o fuentes de energía.
"En un mundo totalmente renovable, necesitaríamos desarrollar combustible nuclear o combustible de hidrógeno, o reciclaje de carbono, o agregar mucha más capacidad para generar energías renovables, si queremos evitar la quema de combustibles fósiles", dijo.
En épocas de poca lluvia, los administradores de agua mantienen el agua dulce fluyendo a través del grifo extrayendo depósitos municipales o acuíferos subterráneos. Los sistemas de energía solar y eólica no tienen un respaldo equivalente. Las baterías que se utilizan para almacenar el exceso de energía solar y eólica en días excepcionalmente soleados y con ráfagas de viento mantienen la carga solo durante unas pocas horas y, como máximo, unos pocos días. Las centrales hidroeléctricas brindan un potencial amortiguador, dijo Lall, pero no por el tiempo suficiente para llevar el sistema a través de un prolongado período seco de sol y viento intermitentes.
"No resolveremos el problema construyendo una red más grande", dijo. "Los operadores de redes eléctricas tienen un objetivo de 99,99 % de confiabilidad, mientras que los administradores de agua se esfuerzan por lograr un 90 % de confiabilidad. Puede ver qué desafiante será este juego para la industria energética y cuán valiosos podrían ser los pronósticos estacionales y más largos".
En la próxima fase de investigación, Lall trabajará con los profesores de ingeniería de Columbia, Vijay Modi y Bolun Xu, para ver si pueden predecir tanto las sequías como las "inundaciones" de energía, cuando el sistema genera un excedente de energías renovables. Armados con estas proyecciones, esperan predecir el aumento y la caída de los precios de la energía.
