Principales tendencias que impulsan los sistemas de energía verde
Innovación y principales tendencias que impulsan los sistemas de energía verde
Adam Kimmel para Mouser Electronics
Introducción
Las reuniones de la COP 21 celebradas en París en 2015 constituyeron un paso importante hacia la lucha mundial contra el cambio climático. La conferencia plasmó los compromisos de los países en el Acuerdo de París, en el que las naciones se comprometieron a limitar el aumento de la temperatura global por debajo de 2 °C (objetivo 1,5 °C) para 2100. Los participantes lo lograrán fijándose como objetivo un mundo neutro desde el punto de vista climático para el año 2050.
La buena noticia para las economías mundiales es que la energía verde (o renovable) aborda de forma contundente el cambio climático, y supone una oportunidad de mercado que se espera que alcance los 2 billones de dólares para el año 2030. Este artículo describe la situación actual y los últimos avances técnicos de los sectores de la energía verde.
Las fuentes renovables ya representan una proporción significativa de la generación de energía a nivel mundial. La energía hidráulica es la gran dominante, pero la eólica y la solar están ganando terreno rápidamente. La Figura 1 muestra la generación de energía a nivel mundial en 2021, y cómo las energías eólica y solar han ganado terreno frente a la hidráulica en los últimos años.
Figura 1: Generación moderna de energía renovable por fuente, en el Mundo, 2021. (Fuente: Hannah Ritchie, Max Roser y Pablo Rosado (2022) - "Energía". Publicado en línea en el sitio web OurWorldInData.org. Obtenido de: 'https://ourworldindata.org/energy')
Energía solar
Se han producido importantes innovaciones en el campo de la energía solar y fotovoltaica (FV), aunque entre los obstáculos que dificultan su aplicación se destacan los siguientes:
- El terreno necesario para albergar la infraestructura energética
- Costo de equipos e instalación
- Inversores y equipos de conversión de energía
- Tecnología para integrarse en la red eléctrica
- La cuestión estética de instalar una gran superficie de paneles solares en los tejados de los consumidores o en terrenos agrícolas
Considerando la importancia de aumentar la proporción de energía solar y el plazo para cumplir los compromisos del Acuerdo de París, los gobiernos han comenzado a hacer obligatoria la instalación de paneles solares para forzar a los consumidores a hacerlo. Por ejemplo, Tokio obliga a instalar paneles solares en las casas nuevas que se construyan a partir de 2025.
Células solares y fotovoltaicas integradas
Dos de las principales desventajas de la energía solar son su intermitencia y su baja eficiencia. Lógicamente, la energía procedente de la naturaleza es menos eficiente y fiable que la energía altamente procesada. Por ejemplo, los paneles solares comerciales solo tienen una eficiencia de entre el 15 % y el 20 %, con un límite teórico de ~30 % de eficiencia. Estos límites están determinados principalmente por las pérdidas de conversión de energía y la dispersión solar antes de llegar a la superficie del panel.
Los ingenieros están integrando paneles fotovoltaicos siempre que sea práctico y posible para aumentar la potencia total de un proceso ineficiente. Los diseñadores de sistemas pueden optimizar el número de paneles para obtener el máximo valor, ya que las superficies orientadas al sur y sin sombra ofrecen la mayor eficiencia solar. Además, la gran superficie que ocupan las instalaciones de paneles solares puede generar beneficios secundarios, como dar sombra en los estacionamientos con estructuras solares o aprovechar los edificios de gran altura cuyos tejados planos no son visibles.
Energía solar en el océano
Teniendo en cuenta que el espacio es un factor fundamental para la energía solar, otra tendencia emergente es instalar sistemas de energía solar en el mar. La gran extensión de mar abierto en la Tierra ofrece ventajas naturales para las instalaciones fotovoltaicas flotantes en alta mar (también conocidas como paneles fotovoltaicos flotantes), como la integración de refrigeración líquida con el agua de mar y la energía adicional que se genera a través del agua que refleja los rayos solares en los paneles. Además, la refrigeración líquida ofrece una eficiencia de transferencia de calor mucho mayor que los sistemas refrigerados con aire, lo que puede reducir el tamaño de los paneles con una producción de energía comparable.
Energía solar para la agricultura
Al igual que la energía fotovoltaica flotante, la agrovoltaica (o agrofotovoltaica) aprovecha una gran superficie para colocar paneles fotovoltaicos; en este caso, instalados en tierras de cultivo para integrarlos en las operaciones agropecuarias. Esta práctica también suministra energía resiliente en lugares remotos que no tienen acceso a la red eléctrica o lugares donde se puede aumentar el suministro de la red asignada a la agricultura. Añadir generación de energía a tierras que ya son rentables para la agricultura aumenta su valor, y los paneles pueden reducir la temperatura del suelo y la evaporación, y aumentar el aprovechamiento de las tierras de cultivo.
Energía solar por concentración
Otra forma de mitigar la ineficacia natural de la energía solar es concentrar la energía renovable en un área pequeña utilizando espejos o lentes de energía solar por concentración (CSP) y posteriormente convertirla en energía térmica para su uso a demanda. Esta conversión de energía térmica a eléctrica es similar al funcionamiento de los motores Stirling y las turbinas de vapor. Además, los factores que favorecen la CSP son elacceso a líneas de transmisión de alta tensión, una superficie suficiente y luz solar de alta calidad (como en el suroeste de EE. UU.).
Innovación en materiales fotovoltaicos
Los paneles fotovoltaicos comerciales, construidos con un solo material, alcanzan una eficiencia de conversión muy baja, de aproximadamente el 20 %. Sin embargo, existen avances importantes en la investigación de materiales que abordan ese límite. Por ejemplo, reducir el grosor del material de las celdas fotovoltaicas aumenta la flexibilidad física del material, reduce los costos y mejora el perfil de sostenibilidad utilizando menos material. Además, los paneles fotovoltaicos más delgados reducen la pérdida de conducción a través del grosor del material (calentamiento del material más grueso), lo que aumenta la eficiencia de conversión de la energía.
Otro avance en el campo de los materiales fotovoltaicos es la aplicación de materiales y revestimientos a base de bismuto (Bi) para superar el límite teórico del ~30 %. El principal material de revestimiento es la perovskita, que eleva el límite teórico de eficiencia al 43 % mediante la absorción de longitudes de onda ampliadas en el espectro solar, lo que a su vez aumenta la cantidad de energía de la fuente disponible. Sin embargo, la durabilidad de la perovskita sigue siendo una incógnita, lo que puede limitar la duración del aumento de eficiencia a lo largo de la vida útil de las celdas solares. Otras películas y revestimientos han logrado aumentar la eficiencia entre un 5 % y un 10 % al capturar y redirigir los haces de luz, de forma similar a la CSP.
Energía eólica e hidráulica
La energía renovable es ahora más asequible gracias a los avances tecnológicos y a una mayor adopción por parte del mercado. Aunque la construcción de nuevas centrales eólicas y solares es actualmente más económica que la de centrales de carbón o gas, los combustibles fósiles siguen dominando el consumo mundial frente a las energías renovables.
Además, a medida que la demanda de energía verde aumenta vertiginosamente debido a los compromisos mundiales de sostenibilidad, los costos por unidad (kWh) de la capacidad de generación de energía eólica y solar también disminuyen, en ocasiones por debajo del costo por kWh de los combustibles fósiles. Como resultado, el menor costo de capital y por unidad de la energía renovable en relación con la energía de fuentes fósiles supone un argumento comercial convincente frente a una demanda mundial sin limitaciones.
La energía hidráulica, que constituye la mayor proporción de la producción de energía renovable, aprovecha la prevalencia del agua. Este método aprovecha la energía cinética del agua que fluye, la cual hace girar una turbina que acciona un generador acoplado y produce electricidad. Además, muchas de las innovaciones en materia eólica aprovechan la integración con fuentes oceánicas.
Montaje y construcción de turbinas
El gran tamaño de los turbinas eólicas complica el transporte de unidades completamente montadas, algo que genera grandes problemas para los responsables de logística. Como resultado, los ingenieros están diseñando turbinas para construirlas in situ y transportarlas por piezas. Este enfoque simplifica el transporte de la turbina y reduce el número de piezas individuales. A su vez, esto permite aumentar la producción de las piezas restantes, lo que mejora la economía de la turbina gracias a la economía de escala.
Aerodinámica de las palas y modelado numérico
Para mejorar la eficiencia de la producción de energía eólica, los ingenieros se enfocan en el diseño de las palas. Por ejemplo, los ingenieros utilizan el modelado numérico en 3D o un método de ingeniería asistida por computadora llamado dinámica de fluidos computacional (CFD), que analiza las condiciones estáticas y dinámicas para predecir el diseño óptimo.
Gemelos digitales
La tecnología de gemelo digital realiza una réplica de una pieza física con una coincidencia digital. El gemelo digital incorpora datos de rendimiento de la pieza física para calibrar el modelo. De este modo, las actualizaciones de diseño pueden realizarse rápidamente en el ámbito digital antes de que los fabricantes inicien la creación de un nuevo prototipo físico, lo que permite ahorrar tiempo y costos.
Cosecha de energía
La cosecha de energía aprovecha el hecho de que cualquier diferencial en las propiedades crea la oportunidad de generar energía. Por ejemplo, muchos tanques de almacenamiento de agua residenciales están elevados para proporcionar una presión de suministro constante. Los ingenieros han ideado formas de aprovechar los diferenciales naturales de energía térmica, salinidad y presión de las mareas en el océano para producir energía hidráulica.
Conversión de energía térmica oceánica y captura de energía de gradiente
Las temperaturas de las aguas de superficie pueden variar considerablemente en comparación con las que se encuentran a cientos de metros de profundidad. Los dispositivos de conversión de energía térmica oceánica (OETC) utilizan agua de mar caliente y fría para vaporizar y condensar un fluido de trabajo en un ciclo de refrigeración por compresión de vapor. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor será la eficiencia energética y el rendimiento. Del mismo modo, los diferenciales de presión osmótica y del oleaje pueden producir energía a medida que el estado inicial busca el equilibrio con el estado de menor energía.
Almacenamiento de energía e integración en la red
El almacenamiento de energía es una fuente importante de innovación en energías verdes. Las energías renovables no son constantes, por lo que almacenar la energía permite a los usuarios o proveedores decidir cómo reducir la intermitencia.
Química de la batería
Con el auge de la electrificación, la química de las baterías evoluciona constantemente. Tecnologías como el fosfato de hierro y litio (LFP), el ion de sodio y el estado sólido buscan mejorar la densidad de potencia, la velocidad de carga/descarga y el perfil de seguridad.
El perfeccionamiento de la química de las baterías es esencial para la durabilidad de las soluciones de electrificación. Sin embargo, a medida que los ingenieros desarrollan y aplican baterías a una gama cada vez más amplia de aplicaciones, garantizar su seguridad es igual de importante. Este objetivo es especialmente necesario en el caso de las baterías de iones de litio que son propensas a la disrupción térmica.
Producto destacado: monitor de baterías multicelda LTC6811 de Analog Devices
Analog Devices ha desarrollado un sistema sólido que resuelve la monitorización de baterías para sistemas que cumplen con la norma ISO 26262: el monitor de baterías multicelda de 12 canales LTC6811 (Figura 2) puede medir hasta 12 celdas conectadas en serie con un error de medición máximo de 1,2 milivoltios. Con un rango de medición de celdas de 0 V a 5 V, el LTC6811 ofrece un error de medición del 1 % o inferior y tarda únicamente 290 µs en medir todas las celdas del sistema. Además, el LTC6811 utiliza una interfaz isoSPI™ para una comunicación de alta velocidad y larga distancia con el procesador central que no es susceptible a interferencias de RF.
Figura 2: Monitor de baterías multicelda de 12 canales LTC6811 de Analog Devices. (Fuente: Mouser Electronics)
El monitor incluye compensación pasiva y control del ciclo de trabajo PWM para regular la potencia y prolongar la vida útil de cada celda. Puede alimentarse de la propia batería o de una fuente de alimentación externa, y también emplea un convertidor analógico a digital (ADC) delta-sigma de 16 bits con un filtro de ruido de tercer orden programable. Esta característica es importante, ya que el ruido es uno de los parámetros clave en los sistemas eléctricos.
La solidez y la amplia aplicabilidad del LTC6811 a múltiples químicas y sistemas de baterías lo hacen ideal para vehículos eléctricos de batería (BEV) y vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV), almacenamiento de energía en red, sistemas de respaldo de baterías y equipos portátiles de alta potencia, entre otros usos. Además, cuando una solución utiliza una batería de la potencia especificada, el monitor LTC6811 puede medir su rendimiento e indicar el momento en que las métricas de rendimiento caen para ayudar a predecir un fallo inminente.
Almacenamiento de energía distribuido y microrredes
A medida que las tendencias y la innovación en energía eólica y solar evolucionan, la integración de esa energía en la red eléctrica será el próximo obstáculo decisivo para impulsar la transición energética. Al igual que los semiconductores de nitruro de galio y carburo de silicio, la electrónica de red permite interconectar varias formas de energía mediante la integración de energía. Además, esta tecnología proporciona almacenamiento de energía distribuido en formas de energía alternativas.
La electrónica de red también hace posible las microrredes: conjuntos locales de fuentes de energía que pueden funcionar de forma independiente, como un generador, o integrarse en la red. Estos mecanismos proporcionan un efecto aditivo de todas las fuentes de energía renovable para aumentar la potencia primaria de la red o reforzar la resistencia durante los cortes, lo que mejora la eficiencia de la utilización de la energía. Como resultado, los monitores de baterías como el LTC6811 son esenciales para garantizar el rendimiento cuando una microrred remota no tiene acceso a la red eléctrica primaria.
Microcontroladores
Los microcontroladores permiten a los operadores controlar la distribución de la energía renovable. La integración de estos controladores con sistemas inteligentes impulsados por IA puede automatizar el balance de energía para lograr una eficiencia óptima y adaptación a los cambios en la demanda o durante los períodos de mayor consumo. Los controladores también pueden adaptarse a las fluctuaciones de tensión por intermitencia de la energía y corregirlas en la aplicación.
Vehículo a red (V2G)
Uno de los cambios más importantes de la electrificación es el modo en que los ingenieros conciben la energía, ya que la tratan cada vez más como un fluido que puede viajar de un lado a otro cuando sea necesario. Sin embargo, el acceso a la energía verde (o la falta de este) es un desafío importante para su adopción generalizada, incluso después de que los costos alcancen la paridad.
Considerando lo anterior, la proliferación de vehículos eléctricos puede resolver el problema del acceso, ya que pueden actuar como baterías móviles o crear una vía bidireccional entre el vehículo y la red. Esto representa una gran ventaja para las zonas remotas que no están conectadas a la red, ya que les permite crear resiliencia energética en caso de tener energía almacenada en excedente. Esta aplicación también puede mejorar la rentabilidad de los vehículos pesados Clase VIII (de carretera, de carga), al mismo tiempo que reduce la demanda de energía y la intermitencia de la red existente. En consecuencia, el sistema V2G será un importante impulsor de la energía verde.
Conclusión
A pesar del auge y las tendencias de la energía verde, los principales obstáculos para su adopción siguen siendo la intermitencia y la ineficacia. Para hacer frente a estos obstáculos, los nuevos desarrollos aprovechan las ventajas de la descentralización para añadir un mecanismo de almacenamiento intermedio y trasladar el uso de energía a la fase final. A esto se suman los esfuerzos de los ingenieros para aprovechar las características existentes de la energía natural con la finalidad de aumentar aún más su eficacia.
La forma de integrar estas invenciones en la red existente determinará la rapidez y eficacia de la expansión de energía verde.