Este cambio esencial (la descentralización de la generación de energía eléctrica) modifica el funcionamiento de las redes eléctricas nacionales y la relación entre hogares, empresas y proveedores de electricidad. Aunque esta transición ya se está produciendo, la Agencia Internacional de la Energía (AIE) estima que más de 100 millones de hogares tendrán cubiertas solares fotovoltaicas en 2030, lo que supone un importante aumento respecto a los actuales 25 millones.[1]
Por lo tanto, la descentralización de la energía eléctrica no ha hecho más que empezar, y los ingenieros eléctricos se enfrentan a un horizonte con varias novedades en cuanto a retos y oportunidades. En este artículo exploraremos el cambio de las redes eléctricas nacionales y analizaremos sus implicaciones técnicas y sociales.
Los factores que impulsan la evolución de las redes eléctricas
Varios factores han impulsado la creciente descentralización de las redes eléctricas. Todos ellos centrados, sobre todo, en las limitaciones inherentes a las redes eléctricas centralizadas y en las ventajas únicas de la energía eléctrica descentralizada.
Un impulsor fundamental de la energía eléctrica descentralizada ha sido el desarrollo de fuentes de energía eléctrica renovable de menor escala. Conseguir independencia eléctrica antes del aumento de la popularidad de los paneles solares y las turbinas eólicas pequeñas significaba implementar alguna forma de generador eléctrico de dinamo, como una turbina de gas, carbón o agua. Estas turbinas requieren muchos recursos físicos, además de poder introducir importantes problemas de seguridad, técnicos y sociales.
Otro impulsor fundamental de la producción de energía eléctrica descentralizada es la creciente necesidad de más energía eléctrica. Satisfacer esta creciente demanda con grandes centrales de generación eléctrica centralizadas requiere mucha planificación, muchos recursos y mucho tiempo, y las centrales nucleares necesitan de seis a ocho años para construirse y ponerse en servicio.[2]
Los recursos de energía descentralizados de menor escala pueden implementarse mucho más rápidamente: los parques solares de gran escala suelen necesitar de 1 a 3 años para suministrar electricidad a la red,[3] y las instalaciones solares residenciales e industriales de menor escala (imagen 1) tardan de 6 a 18 semanas de media.[4] En muchos casos, es más sencillo y rentable satisfacer las crecientes necesidades de energía con numerosas fuentes distribuidas de menor escala que con una sola fuente centralizada.
Imagen 1: instalaciones solares comerciales de pequeña escala, como la mostrada, pueden instalarse en pocos días. (Fuente: anatoliy_gleb/stock.adobe.com)
La disminución de los costes y el aumento de la eficiencia de las tecnologías renovables, combinados con la subida de los precios de la electricidad, también han hecho que la energía solar fotovoltaica y la energía eólica sean cada vez más fáciles de obtener. Los avances en tecnologías de almacenamiento y gestión de la energía eléctrica también aumentan la viabilidad de la energía renovable distribuida.
El aumento de la energía eléctrica descentralizada
La creciente demanda de energía eléctrica descentralizada tiene su origen en tendencias y avances de gran escala en los campos de la energía renovable, la electrónica de potencia y los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS, por sus siglas en inglés). La innovación en electrónica está ayudando a crear nuevas oportunidades para los recursos de energía descentralizados al aumentar la eficiencia, la inteligencia y la seguridad del sistema, además de reducir los costes y los problemas relacionados con el embalaje.
Desarrollo de los paneles solares fotovoltaicos y las turbinas eólicas
En los primeros años del 2000, los paneles solares fotovoltaicos residenciales y comerciales típicos tenían una eficiencia de aproximadamente el 15 %.[5] Desde entonces, el desarrollo del diseño de las células fotovoltaicas y cambios esenciales de la composición de los materiales han ayudado a aumentar este valor, y hoy los paneles suelen ofrecer alrededor del 20 % de eficiencia.[6]
Oxford PV, filial de la Universidad de Oxford, ha establecido recientemente un récord mundial con su célula solar en tándem de perovskita-silicio de tamaño comercial al alcanzar una eficiencia del 28,6 %, un paso importante que sugiere que aumentos aún mayores de la eficiencia son posibles.[7] El aumento de la eficiencia de los paneles puede ayudar a impulsar la adopción de los recursos de energía descentralizados al reducir el área necesaria para una instalación solar viable (si los costes de los paneles no cambian).
Las turbinas eólicas también están experimentando un importante desarrollo, y las nuevas turbinas sin aspas (imagen 2) pueden superar varios retos que hasta ahora han sido una constante. La ausencia de aspas giratorias tradicionales en la turbina simplifica la integración del sistema en edificios y aumenta la seguridad de esta operación, además de reducir los gastos de mantenimiento y mitigar los accidentes de las aves. Estas ventajas pueden ayudar a las empresas a instalar turbinas eólicas en nuevas zonas, también más cerca de paneles solares o en entornos residenciales de menor escala, donde las restricciones de la planificación suelen impedir la instalación de turbinas con aspas giratorias.
Imagen 2: la energía eólica sin aspas usa las oscilaciones del viento y alternadores para generar electricidad sin aspas. (Fuente: VectorMine/stock.adobe.com)
La planta de BMW Mini en Oxford acaba de incorporar el primer sistema energético estacionario del mundo, de Aeromine Technologies, como complemento a sus instalaciones solares.[8] Modificando el flujo de aire con sus perfiles aerodinámicos, la turbina crea una zona de baja presión detrás de la unidad, que impulsa el aire mediante su propulsor interno, convirtiendo la energía eólica en electricidad.[9]
Vortex Bladeless, empresa emergente española, está desarrollando un sistema sin turbina para la generación de electricidad a partir de energía eólica. Este sistema aprovecha el desprendimiento de vórtices (la creación de vórtices por el viento que fluye alrededor de un cilindro) para inducir oscilación que se convierte en electricidad mediante un alternador electromagnético interno.[10]
Avances en tecnología de inversores
Los avances de la electrónica de potencia, especialmente la adopción de semiconductores de carburo de silicio (SiC, por sus siglas en inglés), están aumentando la eficiencia de los inversores al reducir tanto las pérdidas de energía como los requisitos de la gestión térmica. En comparación con los dispositivos tradicionales de silicio, los semiconductores de SiC de banda prohibida ancha tienen menos pérdidas por conmutación y más conductividad térmica y densidad energética.
Aunque los inversores de silicio más recientes pueden alcanzar un 98 % de eficiencia, los inversores de SiC pueden alcanzar alrededor del 99 % de eficiencia en un amplio intervalo de energía eléctrica, lo que se traduce en una reducción del 50 % de la pérdida de energía.[11] Un aumento teórico del 1 % aplicado a los 259,99 GW de capacidad solar total de la Unión Europea añadiría unos 2,6 GW a la salida total: el equivalente a 6,5 millones de paneles solares de 400 W.[12]
El rendimiento térmico mejorado del SiC reduce las necesidades de refrigeración, lo que permite a los fabricantes diseñar inversores de menor escala, más ligeros y más fiables. Esta reducción del tamaño permite instalar recursos de energía descentralizados en entornos residenciales y comerciales con menos espacio. Estas características, combinadas con el aumento de la economía de escala en la fabricación con SiC, que reduce sus costes, están ayudando a impulsar la creación de inversores solares de menor escala y más eficientes, que podrían generar una nueva ola de adopción de energía solar.
La evolución de los BESS
En los BESS, el cambio al fosfato de hierro de litio (LFP) ha aumentado la estabilidad térmica y la vida útil en comparación con las baterías de iones de litio tradicionales. Por otra parte, nuevos diseños modulares, como el de las baterías montadas en bastidor, permiten instalaciones más rentables y más escalables, lo que ofrece a los usuarios residenciales y comerciales la posibilidad de optimizar la capacidad del sistema según sus necesidades de energía.
Los sistemas de gestión de baterías también empiezan a incorporar inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático, lo que puede aumentar aún más la fiabilidad y la eficiencia de los BESS. Las funciones con IA pueden mejorar la previsión de la degradación de la batería, la optimización de los ciclos de carga en función de las condiciones ambientales y la gestión dinámica del flujo de energía para maximizar tanto la vida útil como el rendimiento de la batería.
Conclusión
Los recursos de energía descentralizados ofrecen a empresas y hogares por igual la oportunidad de alcanzar la independencia energética al mismo tiempo que mejoran su sostenibilidad. Sin embargo, como las necesidades de energía aumentan y las redes eléctricas nacionales se vuelven más complejas, el mercado debe proporcionar soluciones de energía solar y eólica eficientes y fiables que se integren a la perfección en los hogares, las empresas y la red eléctrica.
Fuentes
[1]https://www.iea.org/reports/approximately-100-million-households-rely-on-rooftop-solar-pv-by-2030
[2]https://www.sustainabilitybynumbers.com/p/nuclear-construction-time
[3]https://www.theecoexperts.co.uk/solar-panels/complete-guide-solar-farms
[4]https://www.susenergy.co.uk/how-long-does-it-take-to-install-solar-panels.html
[5]https://www.forbes.com/sites/peterdetwiler/2013/07/16/as-solar-panel-efficiencies-keep-improving-its-time-to-adopt-some-new-metrics/
[6]https://corporate.enelx.com/en/question-and-answers/are-solar-panels-energy-efficient
[7]https://www.oxfordpv.com/news/oxford-pv-sets-new-solar-panel-efficiency-world-record-0
[8]https://www.bbc.co.uk/news/articles/c07ngp4yz7jo
[9]https://aerominetechnologies.com/
[10]https://vortexbladeless.com/technology/
[11]https://www.energy.gov/eere/solar/silicon-carbide-solar-energy
[12]https://energy.ec.europa.eu/topics/renewable-energy/solar-energy_en
Acerca del autor
Mark, que forma parte del equipo de EMEA de Mouser en Europa, se unió a Mouser Electronics en julio de 2014 tras ocupar puestos séniores de mercadotecnia en RS Components. Antes de trabajar en RS, Mark pasó ocho años en Texas Instruments, en puestos de asistencia de aplicaciones y ventas técnicas. Se graduó con matrícula de honor en Ingeniería Electrónica en la Universidad de Coventry.
