La importancia de las herramientas de diseño y optimización de hidrógeno verde
El hidrógeno verde se está posicionando como una alternativa viable en el contexto de la transición hacia fuentes de energía limpias y sostenibles. Este vector energético no sólo permite transformar energía sin emitir contaminantes, sino que también tiene una importante capacidad de almacenamiento a largo plazo, lo que ayuda a abordar uno de los principales problemas de las fuentes de energía renovables como la solar y la eólica: su carácter intermitente y estacional.
Debido a las múltiples aplicaciones del hidrógeno y a la naturaleza variable de las fuentes renovables, el diseño y la optimización de sistemas de producción, almacenamiento y aprovechamiento de hidrógeno verde, son procesos complejos sobre todo cuando se aplica a procesos industriales, donde es necesaria una gestión cuidadosa de toda la cadena para garantizar un funcionamiento continuo y eficaz. Aquí es donde las herramientas de simulación y optimización juegan un papel crucial, facilitando la integración eficiente del hidrógeno en el sistema energético y permitiendo tomar decisiones óptimas basadas en datos detallados y proyecciones precisas.
Necesidad de herramientas especializadas para la transición energética
Para avanzar hacia un sistema energético más sostenible y descarbonizado es esencial aplicar el modelado dinámico y la simulación para optimizar tanto la producción como la utilización del hidrógeno verde en los sectores residencial, industrial y transporte pesado, ya que cada uno presenta diferentes patrones de demanda energética, siendo necesario el desarrollo de herramientas específicas que permitan evaluar múltiples escenarios, optimizar el diseño y determinar estrategias de control y gestión más adecuadas.
Estas herramientas no solo permiten simular el comportamiento de los sistemas en condiciones reales, sino que también ayudan a optimizar parámetros importantes como la potencia nominal de los electrolizadores, el volumen de almacenamiento de hidrógeno y la gestión de los momentos óptimos para consumir o almacenar energía. La aplicaciónn de algoritmos de optimización avanzados tiene como objetivo reducir los costes operativos y de inversión al mismo tiempo que maximizar el uso de energía renovable garantizando que se toman las mejores decisiones técnicas, económicas y ecológicas.
Funcionalidades de la herramienta desarrollada
CARTIF que es Centro de Excelencia Cervera, otorgado por el Ministerio de Ciencia e Innovación y del CDTI, bajo los expedientes CER-20191019 y CER-20211002 ha desarrollado una herramienta de diseño y optimización de este tipo de sistemas gracias al proyecto CERVERA H24NewAge. Se trata de una plataforma que permite el diseño y optimización de sistemas de producción y uso de hidrógeno verde en entornos residenciales e industriales aplicando modelado dinámico junto con Python a través de una interfaz web fácil de manejar que facilita el acceso a simulaciones complejas sin necesidad de conocimientos técnicos avanzados contribuyendo a la democratización de la tecnología del hidrógeno, permitiendo que usuarios de diferentes niveles de experiencia interactúen con modelos complejos y recojan información útil para la toma de decisiones en el diseño de sus sistemas. Algunos de los puntos clave de la herramienta son:
Simulación de escenarios de producción de hidrógeno: Los usuarios pueden simular una variedad de entornos de producción de hidrógeno, como procesos industriales, cogeneración industrial, microcogeneración residencial y generación de energía eléctrica a gran escala.
Optimización Basada en Algoritmos Avanzados: La herramienta ayuda a dimensionar el tamaño óptimo de los componentes del sistema, minimizando costes y maximizando el aprovechamiento de la energía renovable utilizando algoritmos de optimización avanzados. También incluye la creación de estrategias operativas que consideren la disponibilidad de energía renovable, la demanda de hidrógeno y las limitaciones de almacenamiento para lograr una operación económica y eficiente.
Flexibilidad y Adaptabilidad: Parámetros cruciales como la ubicación geográfica, los perfiles de demanda y las tecnologías de producción renovable se pueden ajustar a través de la plataforma, lo que la hace ideal para una variedad de escenarios y necesidades específicas. Esta capacidad es fundamental para que los usuarios puedan evaluar cómo sus diseños se comportarían en diferentes situaciones y escenarios, adaptando las tecnologías de producción y almacenamiento de hidrógeno a las particularidades de cada entorno.
Visualización de Resultados: La interfaz web de la herramienta facilita la visualización de los resultados de las simulaciones mediante gráficos interactivos y tablas que muestran aspectos clave del sistema, como son: la eficiencia energética, los costes operativos y la capacidad de almacenamiento. Asimismo, los usuarios pueden comparar los resultados de escenarios diferentes, lo que resulta fundamental para identificar oportunidades de mejora y realizar ajustes adicionales.
Conclusiones
En definitiva, contar con herramientas como esta permite evaluar y optimizar estrategias para la producción y uso del hidrógeno verde, facilitando su integración en el sistema energético y contribuyendo a un futuro más sostenible. Gracias al acceso a modelos avanzados y algoritmos de optimización, estas herramientas permiten tomar decisiones fundamentadas, lo que deriva en sistemas más eficientes y resilientes. Un ejemplo claro sería la capacidad óptima de almacenamiento de hidrógeno, cuya correcta estimación puede evitar costes innecesarios y garantizar un suministro constante, incrementando la eficiencia operativa del sistema. Además, la facilidad de uso y la flexibilidad que ofrecen estas plataformas ayudan a reducir las barreras técnicas para adoptar el hidrógeno verde, haciéndolo una opción accesible y viable para un mayor número de usuarios y aplicaciones. Esto es clave para avanzar hacia una transición energética efectiva y para fomentar soluciones que disminuyan la dependencia de combustibles fósiles y favorezcan la mitigación del cambio climático.
Co-autor
Jesús Samaniego. Ingeniero Industrial. Desde 2002 trabaja en CARTIF en el desarrollo de proyectos dentro del campo de la eficiencia energética, la integración de energías renovables y en el estudio de la calidad del suministro eléctrico
Desde siempre me han apasionado las telecomunicaciones, y la idea implícita de conseguir un «mundo conectado», con o sin cables, donde la información fluya de un extremo al otro del globo terráqueo, independientemente de la ubicación y la forma nativa con la que cada país, ciudad o región tiende a comunicarse. Pero frente a esta idealización de un mundo conectado, de forma histórica y recurrente, existen problemas de entendimiento en esta comunicación. Bien porque el lenguaje es distinto, se usa diferente alfabeto en la escritura, o bien porque culturalmente las reglas en el uso del lenguaje y la forma de comunicarse difiere entre continentes, la realidad es que la comunicación global supone un reto al que a día de hoy seguimos enfrentándonos.
En la era de la digitalización y del Internet de las cosas (Internet of Things (IoT), en sus siglas en inglés), donde en la actualidad se recolectan, almacenan y procesan grandes volúmenes de datos, los problemas en la comunicación y representación única de la información queda de nuevo patentes. Difícilmente encontraremos dispositivos de captura de datos (de distintos fabricantes) que proporcionen la información usando un mismo formato, o que respondan usando la misma pregunta. Tal es el problema que existen disciplinas, entre las que se encuentra la telemática, centradas en definir y especificar protocolos de comunicación estándar de aplicación a diversos dominios. Pero, ¿y si queremos comunicar distintos dominios entre sí? A pesar de la existencia de estándares, el problema persiste. Nos encontramos ante una Torre de Babel digital, donde la heterogeneidad de protocolos, formatos de representación, reglas de comunicación y estándares vuelve a dificultar el entendimiento entre sistemas y soluciones.
Para resolver esta problemática, y cómo no, en el ámbito militar y tecnológico, nació el concepto de Interoperabilidad, entendida como la capacidad de las fuerzas armadas de diferentes naciones para colaborar eficazmente mediante la integración de sistemas y comunicaciones. Este enfoque de interoperabilidad fue luego adoptado por otros sectores, como el de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC), con el desarrollo de sistemas que requerían compartir información de manera eficiente y sin conflictos entre dispositivos y plataformas diferentes. En este contexto TIC la interoperabilidad es entendida como la capacidad de diferentes sistemas, dispositivos o aplicaciones para comunicarse, intercambiar y utilizar información de manera efectiva y coherente.
«Interoperabilidad. Entendida como la capacidad de diferentes sistemas, dispositivos o aplicaciones para comunicarse, intercambiar y utilizar información de manera efectiva y coherente.»
Para conseguir esta interoperabilidad entre sistemas heterogéneos, es decir, sistemas que hablan distintos lenguajes y que representan la información de distinta manera, necesitamos cubrir varias dimensiones, cada una enfocada a un aspecto diferente de la comunicación y el intercambio de datos entre sistemas.
La interoperabilidad técnica se refiere a la capacidad de diferentes sistemas y dispositivos para conectarse y comunicarse entre sí a través de estándares y protocolos comunes. Esto incluye la compatibilidad de hardware, software, redes y comunicaciones.
La interoperabilidad semántica es la encargada de asegurar que la información intercambiada sea entendida de la misma manera por todas las partes, gracias a la generación de un vocabulario común (ontología). Se trata de garantizar que los sistemas interpreten los datos con el mismo significado, independientemente de cómo estén estructurados o etiquetados.
La interoperabilidad sintáctica permite asegurar que los sistemas puedan procesar e intercambiar datos de manera estructurada, es decir, que se utilicen los mismos formatos y estructuras de datos, como XML o JSON.
La interoperabilidad organizacional, por su parte, implica la alineación de políticas, procesos y regulaciones entre organizaciones para permitir una colaboración eficaz. Abarca acuerdos de gobernanza, políticas de seguridad y gestión de datos.
Uno de los sectores ampliamente beneficiado por estas soluciones de interoperabilidad es el sector de la construcción, donde la digitalización y el intercambio de información en todas las fases del ciclo de vida, ofrece un trampolín hacia su desarrollo y competitividad. Aquí, la creación de edificios inteligentes, altamente monitorizados y capaces de anticiparse a las necesidades de sus usuarios gracias a la digitalización y procesamiento avanzado de datos, permite disponer de edificios que contribuyen a los objetivos de eficiencia, descarbonización y sostenibilidad. En este contexto, las soluciones de interoperabilidad permiten que los diversos sistemas energéticos (como iluminación, climatización, ventilación, etc.) puedan funcionar de manera conjunta, compartiendo y procesando datos de forma fluida, independientemente de los fabricantes o plataformas. Esto ayuda a optimizar la gestión del edificio, reducir costes y mejorar la eficiencia energética, al permitir que los sistemas trabajen como un ecosistema integrado.
En CARTIF llevamos más de una década trabajando en proyectos de eficiencia energética donde las tecnologías habilitadoras de interoperabilidad, tanto técnica como semántica, suponen una pieza clave para la obtención de soluciones inteligentes, abiertas y altamente replicables. Proyectos como DigiBUILD, DEDALUS y BuildON son ejemplo de cómo estas tecnologías facilitan la creación de edificios inteligentes y sostenibles.
¿Quieres conocer la herramienta antes de que te contemos más de ella? Accede a la versión Beta aquí
En el año 2022, la Comisión Europea seleccionó 112 ciudades para participar en la iniciativa «100 Climate-Neutral and Smart Cities by 2030» (27 europeas y 12 de países asociados). Estas ciudades recibirían soporte técnico de la plataforma Mission Cities dirigida por el proyecto europeo NetZeroCities, con el objetivo de actuar como centros de experimentación e innovación para alcanzar la neutralidad climática en el año 2030; así como servir de modelo para que otras ciudades puedan alcanzar la misma meta en 2050.
Desde el inicio del proyecto, NetZeroCities ha apoyado a las 112 ciudades seleccionadas como «Mission Cities», que han participado en programas como «Pilot Cities Programme» y «Twinning Learning Programme».
Clasificación de las ciudades en el proyecto de NZC
Para formalizar este objetivo de sostenibilidad, el proyecto NetZeroCities ha apoyado el desarrollo de Climate City Contracts en las ciudades seleccionadas. Donde se formaliza un acuerdo entre la ciudad, sus partes interesadas (como empresas, organizaciones civiles y ciudadanos) y la Comisión Europea; estableciendo compromisos claros y específicos para 2030 y 2050.
El contexto de NetZeroCities
Climate City Contract: un contrato hacia la neutralidad climática
El Climate City Contract (CCC) es un plan de acción que permite a la municipalidad definir las acciones y los actores municipales públicos y privados involucrados en el desarrollo de acciones destinadas a alcanzar la neutralidad climática en 2030 y 2050. Este proceso, es iterativo y permite asumir nuevos compromisos y la evaluación periódica de las medidas adoptadas.
Secciones del Climate City Contract
Este documento establece una estrategia integral dividida en tres principales líneas de intervención, el acuerdo de las partes denominado commitment, la estrategia para la neutralidad climática denominada Action plan y el modelo economico que lo sustenta, denominado como Invesment plan.
Para ello, las ciudades deben formalizar un compromiso común entre todas las partes interesadas, identificando los sectores prioritarios, los principios de justicia climática y colaboración, y los actores comprometidos con los objetivos climáticos de la ciudad. Luego, se presenta un plan de acción que evalúa las fortalezas y brechas de las políticas existentes, proponiendo un portafolio de intervenciones coordinadas que incluye un inventario de emisiones como punto de partida y destaca los beneficios sociales de las acciones propuestas, además de proporcionar conclusiones para futuras actualizaciones del plan. En esta sección, los Solution Bundles desempeñan un papel crucial al ofrecer soluciones directas para avanzar hacia la neutralidad climática y facilitar los compromisos y procesos necesarios para alcanzarla en cada ciudad junto con los actores implicados. Finalmente, se elabora un plan de inversión que organiza recursos públicos y privados, analiza inversiones pasadas y actuales, identifica barreras y necesidades, y desarrolla políticas para atraer capital, mitigar riesgos financieros y fortalecer capacidades con la participación activa de los principales actores.
NetZeroCities. Mission Cities Europeas
La herramienta: Solution Bundles
Concepto y Descripción
Desde CARTIF, el equipo compuesto por Rosalía Simón, Ana Belén Gómez , Andrea Gabaldón, Carolina Pastor y Carla Rodríguez, ha desarrollado esta herramienta para apoyar a las ciudades en el desarrollo de su Climate City Contract. Los Solution Bundles proporcionan combinaciones de tecnologías y mecanismos potenciadores que implementadas de forma conjunta maximizan su impacto, facilitando la selección de acciones destinadas a conseguir la neutralidad climática. Con ello, se busca facilitar la visualización de un enfoque completo y eficaz, mejorando el acceso al Repositorio de información de NetZeroCities, y la comprensión de soluciones urbanas innovadoras.
Además, los Solution Bundles pueden usarse como canvas en el trabajo de involucración de los agentes locales para aumentar su participación; ya que actúan como un lienzo interactivo para talleres, facilitando la creación de recursos o conocimiento entre municipios y otros agentes
Paquetes de acciones diseñados para mitigar el cambio climático y alcanzar la neutralidad de carbono en las ciudades
La herramienta cuenta con cuatro paquetes, que permiten la selección de diversas tecnologías mediante diagramas interactivos y sencillos; además de presentar esta información en relación a la escala de su implementación (Ciudad, Distrito y Edificio).
“E-Movility and electrification”: Las soluciones incluidas en este paquete se enfocan en la producción de energía renovable y la descarbonización de todos los sectores mediante la electrificación.
“Low-carbon energy via setor coupling”: Este paquete se centra en la conexión de diferentes sectores a través de sistemas energéticos, aplicando principios de economía circular y reutilización de residuos.
“Reduction of energy & resources needs”: Este paquete alberga soluciones pasivas enfocadas en reducir las necesidades energéticas en el entorno construido, aumentar la eficiencia de los sistemas de utilización de recursos y energía.
”Carbon capture, storage & removal”: Este paquete se centra en reducir las necesidades energéticas mediante sumideros de carbono, eliminando emisiones residuales y utilizando Soluciones basadas en la Naturaleza (SbN) para gestionar los ecosistemas de la ciudad y optimizar la captura de carbono.
Desarrollo de la tool e implementación en el portal
Su desarrollo se está llevando a cabo en diferentes fases, con el objetivo de implementar los feedback de los diferentes usuarios y ciudades. Inicialmente, estará enfocada en ayudar a las Mission Cities, pero con el objetivo de poder apoyar a todas las ciudades en su proceso hacia la neutralidad climática de 2050.
Actualmente, la herramienta sigue en desarrollo y solo dos de los cuatro paquetes están activos; que se encuentran disponibles en el portal del proyecto como versión beta para las Mission Cities.
¿Cómo utilizarlo?
Elige tu enfoque: Comienza seleccionando el paquete en el que deseas centrarte : “E-Movility and electrification”, “Low-carbon energy via setor coupling”, “Reduction of energy & resources needs” y ”Carbon capture, storage & removal”.
Opciones de filtrado: Posteriormente, puedes personalizar tu vista seleccionando o deseleccionando casillas para mostrar u ocultar áreas específicas del paquete. Esta función te ayuda a enfocarte en las soluciones más relevantes para tu objetivo, reduciendo el número de acciones presentadas y haciendo el proceso más eficiente.
Explora soluciones: Las soluciones mostradas están vinculadas a fichas técnicas en el Repositorio de información de NetZeroCities, artículos científicos relacionados y casos de estudio, cubriendo diversas áreas temáticas. Si quieres mas información al respecto de las soluciones técnicas, puedes acceder al siguiente enlace.
Conexión con mecanismos potenciadores: En la parte superior de la herramienta, encontrarás conexiones con otros recursos (Finanzas, Políticas y Gobernanza, y Capacidades) para el paquete seleccionado. Estos nuevos recursos proporcionan información de como mejorar el marco estratégico donde se implementan las soluciones.
El mundo está avanzando hacia un futuro sin combustibles fósiles, y esta transformación ya está en marcha. Los combustibles fósiles, que han sido la principal fuente de energía durante más de un siglo, están en declive tanto por razones de sostenibilidad ambiental como por su disponibilidad limitada1.
El PNIEC (Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030) estipula que para el año 2030, el 42% de la energía final consumida debe provenir de fuentes renovables. Para alcanzar este objetivo, el 27% de dicha energía final debe ser eléctrica, generada en su mayoría por fuentes renovables (con una meta del 74%). Esto implicará la instalación de más de 55GW de capacidad de generación renovable adicional. Este aumento de la proporción de energías renovables en nuestra matriz energética genera nuevas problemáticas técnicas, y es que las fuentes renovables, por su naturaleza, son intermitentes y menos predecibles en comparación con las fuentes tradicionales de energía. Esto puede llevar a inestabilidades en la red eléctrica, manifestándose como congestiones y variaciones de tensión.
En cuanto a la demanda, la transición energética también requerirá un aumento en la electrificación del consumo energético, especialmente en los sectores de transporte y climatización, así como en algunas demandas industriales.
Para el sistema eléctrico, esto resultará en un incremento de la demanda de electricidad y en la transición de un sistema centralizado de generación tradicional, flexible y altamente previsible, con consumidores y redes de distribución pasivos, a un sistema de generación predominantemente renovable, descentralizado e intermitente, con recursos de demanda gestionables y una necesidad creciente de flexibilidad para asegurar niveles eficientes de calidad y seguridad.
La flexibilidad de un sistema eléctrico se define por su capacidad para adaptarse a los desequilibrios entre la energía generada y consumida. No cumplir con esta condición puede causar fallos en el sistema y, por tanto, en el suministro. Hasta hoy, la flexibilidad de nuestro sistema ha sido proporcionada principalmente por plantas de generación fósil, que equilibraban la generación con la demanda existente, manteniendo un crecimiento de la demanda eléctrica controlado. Sin embargo, en el contexto de la transición energética, esto cambia por las siguientes razones:
La flexibilidad de un sistema eléctrico se define por su capacidad para adaptarse a los desequilibrios entre la energía generada y consumida.
Las principales fuentes de generación renovables (solar y eólica) no tienen capacidad para «seguir» a la demanda.
Cuando la capacidad de transmisión de las líneas eléctricas es superada por la demanda, surgen las congestiones, que provocan sobrecargas y fallos en el suministro.
Cuando la cantidad de energía generada no coincide con la demanda en tiempo real, se producen variaciones de tensión, afectando la calidad del suministro eléctrico y potencialmente dañando equipos y aparatos conectados a la red.
El proceso de electrificación conlleva un notable aumento del consumo en las líneas de transmisión y distribución, que deben adaptarse a este incremento de la demanda, especialmente durante los picos de consumo. Adaptar estas infraestructuras exclusivamente mediante la repotenciación de líneas o la instalación de tendidos adicionales tendría un coste material y económico muy alto.
El modelo actual de integración de energías renovables está asociado a una generación más descentralizada, lo que significa que los proveedores de la flexibilidad también estarán cada vez más distribuidos a lo largo de las redes de distribución.
Aunque el almacenamiento eléctrico ofrece una alta flexibilidad al sistema, su elevado coste, especialmente en sistemas anteriores al contador, hace necesario considerar fuentes adicionales de flexibilidad de la demanda.
Por todo ello, se considera crítico favorecer y promover la flexibilidad de la demanda. Esto puede hacerse de manera implícita, a través de incentivos a los usuarios para que cambien sus hábitos de consumo, por ejemplo, señales de precios, y también de forma explícita, donde la activación de la flexibilidad es directa y con respuesta a más corto plazo. Un ejemplo de este segundo caso son los servicios de balance.
Por otro lado, la inestabilidad de la red, derivada de la elevada proporción de energías renovables en un esquema descentralizado, puede solventarse mediante la participación en mercados locales de flexibilidad, que permiten a los consumidores y pequeños generadores ofrecer servicios de ajuste de consumo y generación, contribuyendo a estabilizar la red.
En el proyecto ENFLATE, CARTIF está desarrollando una herramienta de gestión de la flexibilidad que ayuda al operador de red a gestionar redes de distribución, simulando escenarios que representan la participación en mercados locales de flexibilidad. Asimismo, es posible simular la provisión de servicios de balance para el operador de la red de transporte. Estos servicios se estudian sobre la red eléctrica de Láchar (Granada), operada por el socio CUERVA.
En España aún no existe un marco regulatorio para los mercados locales de flexibilidad, por lo que se trabaja con el marco europeo. El tamaño mínimo de flexibilidad ofertada en los mercados locales de flexibilidad considerados en el proyecto ENFLATE es de 0.1 MWh y el periodo de negociación es de una hora. Los dos productos ofertados son: gestión de sobretensiones y gestión de congestiones.
Los servicios de balance son ofertados en los mercados de balance. Hay tres posibles servicios: regulación primaria, regulación secundaria y regulación terciaria. En ENFLATE simulamos la última, también conocida como reserva de activación manual para la recuperación de la frecuencia. Permite ofertar 1 MW y el periodo de negociación es de 15 minutos a dos horas.
ADAION es otro socio que proporciona servicios de digitalización sobre el demostrador. Su plataforma basada en la nube utiliza la inteligencia artificial para simular y conocer la capacidad de la red en todo momento. Proporciona las entradas necesarias para el algoritmo desarrollado por CARTIF, de modo que se puede simular la participación en ambos mercados. Se dispone de generación renovable, demanda flexible y almacenamiento eléctrico.
Gracias a proyectos como ENFLATE podemos estudiar el alcance y las ventajas de utilizar la flexibilidad de la demanda en demostradores reales como la red de Láchar, simulando las condiciones de los mercados de flexibilidad y de balance. De este modo, nos preparamos para los desafíos de la transición energética. A nivel nacional, el marco regulatorio actual de la flexibilidad de la demanda se encuentra poco desarrollado y disperso en diversas normas, que poco a poco se han ido modificando con el objetivo de ir transponiendo las Directivas Europeas. Mientras se van consolidando, nos preparamos para el cambio con proyectos financiados por la Comisión Europea, como en el caso de ENFLATE2.
En el vasto universo de la tecnología energética, las baterías de iones de litio han reinado supremas durante décadas. Desde nuestros teléfonos móviles hasta los vehículos eléctricos, estas baterías han sido el motor silencioso que impulsa nuestra vida cotidiana. Pero, como toda tecnología, el litio también tiene sus limitaciones y desafíos. ¿Qué viene después? Acompáñanos a explorar las baterías del futuro y las alternativas al litio que podrían transformar el mundo.
¿Por qué buscar alternativas al litio?
El litio tiene numerosas ventajas, pero también presenta desafíos significativos. La extracción de litio puede ser ambientalmente costosa, y la creciente demanda está ejerciendo presión sobre los suministros globales. Además, las baterías de litio, aunque eficientes, tienen limitaciones en cuanto a capacidad de almacenamiento y seguridad. Entonces, ¿qué opciones tenemos?
Avances en baterías: superando retos para un futuro energético sostenible
En la búsqueda de alternativas más accesibles y abundantes que las baterías de litio-ion, las baterías de sodio-ion están emergiendo como una opción prometedora al utilizar sodio en lugar de litio como ion activo. Aunque actualmente no alcanzan la misma densidad energética que las baterías de litio, las baterías de sodio-ion ofrecen ventajas significativas en seguridad y sostenibilidad al emplear materiales más abundantes y menos costosos. Además, las baterías de estado sólido representan otra innovación al reemplazar el electrolito líquido por uno sólido, mejorando la seguridad y, potencialmente, la eficiencia energética con densidades de energía más altas y tiempos de carga más rápidos, lo que las hace ideales para aplicaciones en vehículos eléctricos y dispositivos portátiles. Por último, el grafeno, conocido por su estructura ultradelgada y resistente, está revolucionando el almacenamiento energético con promesas de tiempos de carga ultrarrápidos y una larga vida útil, promoviendo avances significativos en electrónica de consumo e industrias, y allanando el camino hacia una nueva generación de dispositivos más eficientes y duraderos.
Más allá de las baterías: explorando nuevas fronteras en almacenamiento energético
Aunque las baterías eléctricas han sido el pilar del almacenamiento energético moderno, depender únicamente de una tecnología no es suficiente para enfrentar los desafíos energéticos del futuro. La diversificación de las fuentes de almacenamiento es esencial para crear un sistema energético robusto y resiliente. Además de las baterías eléctricas, explorar opciones como el almacenamiento térmico y otros métodos innovadores nos permitirá aprovechar mejor las energías renovables, optimizar la eficiencia energética y asegurar un suministro constante y fiable.
¡Vamos a descubrir algunas de estas fascinantes alternativas!
¿Se pueden aprovechar recursos naturales abundantes para el almacenamiento de energía? ¡Aire y agua lo demuestran!
El almacenamiento de energía con aire comprimido (CAES) utiliza cavernas subterráneas o tanques para comprimir aire a alta presión durante periodos de baja demanda eléctrica. Cuando se requiere electricidad, el aire comprimido se expande para generar energía eficientemente mediante turbinas, siendo crucial para estabilizar redes eléctricas en áreas donde la topografía no permite embalses. Por otro lado, el almacenamiento hidráulico aprovecha embalses y presas para almacenar y liberar agua según la demanda, proporcionando estabilidad al sistema eléctrico y facilitando la integración de energías renovables intermitentes hacia un futuro más sostenible y estable.
Revolución energética: cómo cubrimos los picos de demanda con tecnología avanzada
En el vibrante mundo de la energía, uno de los mayores desafíos es gestionar esos momentos en los que el consumo energético se dispara inesperadamente. ¿Cómo aseguramos que nuestra red eléctrica aguante sin apagones?
Una alternativa pueden ser los volantes de inercia, que destacan por su capacidad de almacenar energía cinética en un disco giratorio y liberarla casi al instante. Pero no son los únicos héroes en este escenario. Los supercondensadores, con su habilidad para cargar y descargar energía a velocidades vertiginosas, también juegan un papel crucial al proporcionar un impulso de energía cuando más se necesita.
Al integrar estas tecnologías, capaces de proporcionar grandes picos de potencia en cortos períodos de tiempo, con otros sistemas de almacenamiento o generación, se logra una notable estabilidad en las redes eléctricas. Esto es especialmente beneficioso para pequeñas o medianas redes que se propongan operar de forma aislada, asegurando un suministro energético confiable y constante.
Materiales de cambio de fase (PCM): calor bajo control y materiales de cambio térmico (TCM): almacenamiento eficiente
Los materiales de cambio de fase (PCM, por sus siglas en inglés) son sustancias que almacenan y liberan grandes cantidades de energía térmica durante su proceso de fusión y solidificación. Estos materiales pueden ser utilizados para aplicaciones como laclimatización de edificios, mejorando la eficiencia energética y reduciendo la necesidad de sistemas de calefacción y refrigeración tradicionales.
Similar a los PCM, los materiales de cambio térmico (TCM) almacenan energía térmica, pero con mecanismos diferentes, como la absorción y liberación de calor mediante reacciones químicas. Los TCM pueden ser usados en sistemas de almacenamiento de energía térmica para plantas de energía solar, aumentando la eficiencia y la capacidad de almacenamiento.
Almacenamiento y transporte: amoníaco e hidrógeno. Soluciones integradas
El amoníaco está emergiendo como un vector energético prometedor. Puede ser utilizado como combustible directamente o como medio de almacenamiento de hidrógeno. Al ser liquido a temperatura y presión moderadas, es más fácil de almacenar y transportar que el hidrógeno puro. Además, se puede producir de manera sostenible utilizando energías renovables.
El hidrógeno es considerado por muchos como el combustible del futuro. Puede ser producido a partir de agua utilizando energía renovable, almacenado y luego convertido nuevamente en electricidad mediante celdas de combustible. Además, tiene aplicaciones térmicas y de movilidad. Sin embargo, el desafío sigue siendo la infraestructura para su producción, almacenamiento y distribución de manera eficiente y segura.
El futuro de las baterías y el almacenamiento energético es brillante
La carrera por la próxima generación de tecnologías de almacenamiento energético está en pleno apogeo. Con tantas opciones prometedoras en el horizonte, el futuro de la energía portátil y el almacenamiento parece más brillante que nunca. Desde el sodio y el grafeno hasta los innovadores materiales de cambio de fase y el hidrógeno, estamos a punto de presenciar una revolución energética.
En CARTIF, nos destacamos con proyectos innovadores que exploran soluciones avanzadas para el almacenamiento energético, como THUMBS UP y SINNOGENES, entre otros. Estos proyectos reflejan nuestro firme compromiso con la investigación y el desarrollo de tecnologías sostenibles que están destinadas a transformar el panorama energético global. Mantente al tanto de las últimas novedades visitando nuestro blog y la página web para seguir de cerca estos emocionantes avances.
El sector hidroeléctrico es un motor clave de la transición energética en Europa. Así, en el año 2022, las energías renovables representaron el 41,2% del consumo total de electricidad en Europa y la hidroeléctrica supuso un 29,9% del total de generación renovable.
Figura 1. Fuentes de energía renovable en grandes consumos de electricidad en la UE, 2022, Eurostat
A medida que más fuentes de energía se integran en el panorama energético europeo, más esencial es el papel que desempeña la energía hidroeléctrica debido a su flexibilidad. Mientras que la generación con otras fuentes renovables como la solar o eólica está supeditada a condiciones climáticas variables que no se pueden controlar, sí es posible decidir en qué momentos se turbina el agua de un embalse o un río para generar energía. De esta forma, el sector hidroeléctrico ayuda a mantener la estabilidad en la red eléctrica al equilibrar la demanda y la generación.
Además de su contribución fundamental para reducir las emisiones de CO2, este tipo de energía presenta otras ventajas medioambientales y socio-económicas. Por un lado, regula el flujo de los ríos a través de sus presas, actuando frente amenazas de inundaciones y proporcionando abastecimiento de agua para consumo humano y el sector agrícola. Por otro lado, puede tener un impacto en el desarrollo de economías locales al generar empleo, fijando capital humano y creando atractivos turísticos.
Sin embargo, la energía hidroeléctrica, que emerge como una solución fundamental en la transición energética en Europa, no esta exenta de retos y riesgos:
Figura 2. Evolución en el tiempo de la capacidad de la cuenca del Guadalquviir
En concreto uno de los mayores desafíos que presenta el sector en Europa es la alta antigüedad de las infraestructuras (edad media de 45 años, frente a los 30 de otras regiones como Asia-Pacífico o los 15 de China1), provocando ineficiencias en la producción de energía, aumentando las paradas por mantenimiento y los costes de producción debido a la necesidad de inversión y reparación.
Por otro lado, los eventos climáticos están dejando sentir sus efectos en todas las regiones del mundo. En el caso de Europa, muchas de sus áreas están sufriendo sequías más frecuentes, intensas y prolongadas. Durante la segunda mitad de 2022, esta situación se hizo evidente con una reducción notable en la producción de energía hidroeléctrica, especialmente notoria en el sur del continente, donde se registró una disminución en la producción cercana al 15%.
Esta situación hace que sea necesario abordar una gestión inteligente de los recursos hídricose hidroeléctricos. Así, el proyecto iAMP-Hydro (intelligent Asset Management Platform for Hydropower) coordinado por el Trinity Collegue de Dublín, y en el que participa CARTIF, se erige como una respuesta innovadora a los desafíos que enfrenta el sector hidroeléctrico europeo.
En el marco del proyecto se va a desarrollar un paquete de soluciones digitales, basadas en inteligencia artificial, que serán validadas en cinco plantas hidroeléctricas distribuidas entre España y Grecia y que ayudarán en la toma de decisiones a los operadores de las centrales, atendiendo a factores medioambientales y socio-económicos.
El proyecto incluye una solución de mantenimiento predictivo, mediante el desarrollo de avanzados sensores capaces de monitorizar en tiempo real el estado de las turbinas y de las instalaciones. Estos dispositivos recopilarán datos que, mediante algoritmos de inteligencia artificial basados en aprendizaje profundo, permitirán prever posibles fallos de funcionamiento antes de que ocurran. Esto no solo reducirá significativamente los costes de mantenimiento hasta un 10%, sino que también posibilitará la realización de paradas programadas de manera óptima, ajustadas a las condiciones del mercado y a las necesidades socioeconómicas.
Figura 3. Bermejales HPP, proyecto iAMP-Hydro
Por otro lado, un conjunto de sensores especializados se encargará de monitorizar diversos parámetros de biodiversidad, asegurando que la operación de las plantas se realice con el mínimo impacto ambiental posible.
Por último, CARTIF está liderando el uso de técnicas de inteligencia artificial y redes neuronales para crear modelos predictivos del caudal. Estos modelos están siendo diseñados para analizar patrones en datos históricos, incluido el clima, y serán capaces de anticipar la energía potencial que una planta hidroeléctrica puede generar durante los próximos siete días. Esta anticipación permitirá una operación hasta un 23% más eficiente de la planta, asegurando al mismo tiempo la disponibilidad de agua y reduciendo al mínimo el desperdicio de este recurso. En situaciones de sequía extrema, como las acontecidas en el sur de Europa, se están implementando modelos predictivos para evaluar la capacidad de recuperación de las reservas hidroeléctricas a corto y medio plazo, considerando diversos escenarios climáticos y demandas de riego. Estos modelos proporcionarán a los operadores una visión clara de la evolución de la planta a medio plazo y les permitirá optimizar la selección de turbinas más adecuadas para el punto de operación de cada escenario.
Los investigadores que trabajan en el proyecto pronostican que iAMP-Hydromejorará la sostenibilidad ambiental y socioeconómica de la actual flota hidroeléctrica al reducir los costos operativos en 1000M€, al disminuir las emisiones de CO2 en 1.260 toneladas, al crear 10.000 empleos futuros y al permitir la regulación de flujos ambientalmente sostenibles mediante soluciones digitales. Las estimaciones actuales muestran que la digitalización de los 1.225 GW hidroeléctricos existentes en el mundo podría aumentar la producción anual en 42 TWh, lo que equivale a $5000M en ahorros operativos anuales2.
1IEA. Hydropower Special Market Report; International Energy Agency: Paris, France, 2021; p. 126.
2 Kougias, Ioannis & Aggidis, George & Avellan, François & Deniz, Sabri & Lundin, Urban & Moro, Alberto & Muntean, Sebastian & Novara, Daniele & Pérez-Díaz, Juan & Quaranta, Emanuele & Schild, Philippe & Theodossiou, Nicolaos. (2019). Analysis of emerging technologies in the hydropower sector. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 113. 10.1016/j.rser.2019.109257
