El hidrógeno y la resiliencia del sistema eléctrico

Papel del Hidrógeno en la Resiliencia del Sistema Eléctrico

M.C. Ana Victoria Tarín Santiso * para Energía a Debate

Introducción

Sea cual sea la composición de la matriz energética de un sistema eléctrico, este es susceptible a riesgos que pudieran comprometer la confiabilidad del servicio, desde amenazas tecnológicas, naturales y geopolíticas, por lo que cobra relevancia que el sistema eléctrico en cuestión tenga la capacidad de anticiparse, prepararse y adaptarse a las condiciones cambiantes, así como de resistir, responder y recuperarse rápidamente, es decir, que sea una red eléctrica resiliente¹.

Podemos considerar que la operación tradicional de los sistemas eléctricos, en cierta medida, satisface algunas de las características de un sistema resiliente. Por ejemplo, la adaptación a las condiciones cambiantes, muestra de ello equilibraren tiempo real la generación acorde a las variaciones en la demanda de energía, a fin de mantener regulada la frecuencia. Otra característica de resiliencia con la que ya contaban los sistemas eléctricos tradicionales es la preparación y recuperación ante fallas en la red.

La entrada inminente de las energías renovables variables a la matriz energética global, derivado de la lucha contra el cambio climático, conlleva a que los sistemas eléctricos encuentren nuevos desafíos en su operación.

En los últimos años, el impacto de la variabilidad eólica y solar ha comenzado a cobrar relevancia en los sistemas eléctricos que implementaron objetivos agresivos de crecimiento en base a estas energías. Incluso antes de esto, el estudio de las repercusiones potenciales de la integración de este tipo de tecnologías en las operaciones del sistema se había convertido en un importante tema de investigación. Múltiples estudios demostraron que se necesitarían elementos adicionales en el sistema que proveyeran a la red de flexibilidad, para así integrar de manera efectiva las altas participaciones de las energías renovables variables². Entre estas soluciones destacan la distribución geográfica de los generadores, la agrupación de recursos energéticos, la mejora de la infraestructura de la red de transmisión y la implementación de tecnologías avanzadas para el almacenamiento de energía, siendo esta alternativa la que desempeñará un papel importante en las redes eléctricas.

Desarrollo

El almacenamiento consiste en la captura de energía producida en un periodo para posteriormente ser utilizada en otro momento. El proceso se basa en absorber, almacenar y posteriormente entregar energía a la red. Este proceso involucra la conversión de energía eléctrica a otras formas de energía y viceversa.

Algunos ejemplos de aplicaciones del almacenamiento de energía y cómo este brinda flexibilidad a la red eléctrica son las siguientes: El arranque en negro, que consiste en la restauración de una central de generación o subestación eléctrica después de un apagón sin tomar de la red la electricidad necesaria para el restablecimiento, para lo cual un sistema de almacenamiento resuelve el problema. En la Integración de energías renovables variables, el almacenamiento mitiga los cambios rápidos en la producción de la generación debido a su naturaleza. En reemplazo a la reserva rodante, la cual corresponde a la capacidad de generación que está en línea, pero descargada, y que puede responder en pocos minutos para compensar los cortes de generación o transmisión. Como respaldo en emergencias debido a fallas en la red, el almacenamiento proporciona energía de respaldo a múltiples escalas. En la administración de la compra y venta de energía en el mercado, comprando electricidad en el mercado eléctrico mientras el precio de la energía es bajo y vendiéndola cuando los precios son más altos. En la administración de la factura de electricidad, reduciendo la compra en los picos de la demanda, los cuales corresponden a periodos de tarifa punta. En la nivelación de carga, almacenando energía durante periodos de carga ligera en el sistema para un posterior uso de la energía en periodos de alta demanda. En la estabilización de la red, la operación de las redes de transmisión y distribución se facilita compensando anomalías eléctricas como inestabilidad en el voltaje⁴.

Las tecnologías para el almacenamiento de energía son comúnmente clasificadas acorde a su principio de almacenamiento: a) químico, b) mecánico, c) eléctrico, d) térmico y e) electroquímico. Ejemplos de estas tecnologías, así como su capacidad de almacenamiento, se muestran en la Figura No. 1.

Figura No. 1. Representación conceptual de ejemplos de tecnologías para el almacenamiento de energía, potencia de los sistemas y tiempo de descarga 4

De la Figura 1 podemos inferir que existe una amplia variedad de opciones tecnológicas que pueden proporcionar flexibilidad a diversos sistemas eléctricos, desde redes distribuidas de 1 a 10 kW, sistemas de abasto aislado de 10 MW, hasta centrales de generación de 100 MW a 1000 MW.

También observamos en la Figura 1 que el hidrógeno destaca por su capacidad de almacenamiento. Si bien las baterías de iones de litio y el rebombeo hidráulico pueden satisfacer similares necesidades de energía despachable, ambas tienen limitaciones que el Hidrógeno puede superar. Las baterías sufren degradación del almacenamiento y tienen una vida útil limitada, teniendo que ser reemplazadas, lo cual impacta en los costos del sistema. El almacenamiento de rebombeo hidráulico tiene una gran desventaja ya que únicamente puede implementarse en áreas geográficas muy limitadas, que adicionalmente pueden encontrar estrictas restricciones en su proceso de licenciamiento ambiental.

El hidrógeno no es una fuente de energía sino un portador de energía que debe ser producido y almacenado antes de su uso; el hidrógeno puede ser producido mediante diferentes procesos. Dependiendo del método utilizado, así como de la fuente de energía, el hidrógeno es clasificado como: a) gris, b) azul o c) verde. El hidrógeno gris es producido a partir del reformado de vapor con gas natural sin captura de CO₂, el hidrógeno azul se produce a partir del mismo reformado, pero siguiendo un proceso de captura de CO₂, el hidrógeno verde es producido por electrólisis del agua a partir de electricidad proveniente de energías limpias.

Esta molécula de gas puede generar energía a través de procesos de combustión o en celdas de combustible. En el primer caso, el proceso de combustión puede ser en motores de combustión interna o en la cámara de combustión de una turbina de gas; la combustión de un kilogramo de hidrógeno libera tres veces más energía que un kilogramo de gasolina. Mientras que una celda de combustible es una celda electroquímica que convierte la energía química del hidrógeno y oxígeno a electricidad a través de un par de reacciones redox; el producto de desecho de la reacción es el agua. Es el proceso inverso a la electrólisis⁵.

Un punto importante que destacar sobre el hidrógeno es que permite la distribución de energía de manera flexible, es decir que las redes eléctricas no representan la única alternativa para enlazar el almacenamiento de energía con el usuario final de la demanda, ya que el hidrógeno puede ser transportado fácilmente vía terrestre o marítima, a gran escala y a grandes distancias. La importación local e interna de hidrógeno podría representar una estrategia dirigida a ofrecer suministro de energía proveniente de fuentes limpias en aquellas zonas eléctricamente no interconectadas que comúnmente abastecen sus necesidades energéticas con diésel y otros combustibles fósiles altamente contaminantes⁶.

Encontramos entonces en el hidrógeno un vector energético de gran relevancia en esta transición global que contempla entre sus ejes principales la electrificación y la descarbonización.

*/ Project Development Engineer en Oak Creek Energy Systems.

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Referencias bibliográficas

¹ Planificación de un sector energético resiliente, National Renewable Energy Laboratory, noviembre 2018.

² Flexibilidad del Sistema Eléctrico para la Transición Energética, International Renewable Energy Agency, noviembre 2018.

³ Five steps to energy storage, World Energy Council, March 2020.

⁴ Almacenamiento, una herramienta para la integración de la energía eólica (Webinar), Asociación Empresarial Eólica y DNV.GL, abril 2020.

⁵ New Hydrogen Economy, Hope Or Hype?, World Energy Council, January 2020.

⁶ How hydrogen empowers the energy transition, Hydrogen Council, January 2017.