Una reinvención de la red eléctrica del siglo XXI es crucial para resolver la crisis del cambio climático

En el verano de 1988, el científico James Hansen testificó al Congreso que el dióxido de carbono de la quema de combustibles fósiles estaba calentando peligrosamente el planeta. Se celebraron reuniones científicas, se escribieron voluminosos informes y se hicieron compromisos nacionales, pero debido a que los combustibles fósiles eran comparativamente baratos, se tomaron pocas medidas concretas para reducir las emisiones de carbono.

Luego, a partir de 2009, primero las turbinas eólicas y luego los paneles solares fotovoltaicos redujeron su costo lo suficiente como para volverse competitivos en los mercados de la electricidad. Más instalaciones resultaron en más “curva de aprendizaje«reducciones de costos: la disminución en el costo con cada duplicación del despliegue. Desde 2009, los precios de la energía eólica y solar han disminuido en un asombroso 72% y 90%, respectivamente, y ahora son los fuentes de electricidad más baratas – aunque todavía existen algunos desafíos.

Con el planeta enfrentando olas de calor cada vez más intensas, sequías, incendios forestales y tormentas, se hizo evidente un camino para enfrentar la crisis climática: hacer la transición de la red eléctrica a energía eólica y solar libre de carbono y convertir a la mayoría de los demás usuarios de combustibles fósiles en el transporte, los edificios y la industria a electricidad.

Estados Unidos se dirige en esa dirección. Proyecciones tempranas sugieren que el mundo acaba de concluir un año récord de crecimiento de la electricidad renovable en 2021, luego de un récord de 33.500 megavatios de electricidad solar y eólica instalada en EE. UU. en 2020, según datos de BloombergNEF. se espera un crecimiento más rápido adelante, especialmente dados los planes de la administración Biden para aprovechar los recursos eólicos marinos de alto valor. suficientemente rapido?

El objetivo de la administración Biden es tener una red libre de emisiones de carbono para 2035Un estudio reciente encontró que EE. UU. necesitará casi triplica su tasa de crecimiento de 2020 para que la red esté alimentada en un 80 % con energía limpia para 2030. (Por difícil que parezca, China instaló 120 000 megavatios de energía eólica y solar en 2020).

La base de esta transición es un cambio dramático en la red eléctrica misma.

3 formas de llevar la energía eólica y solar a la red

Aclamada como el mayor invento del siglo XX, nuestra red ahora obsoleta se basó en conceptos fundamentales que tenían sentido en el momento en que se desarrolló. La base original era una combinación de plantas de carbón de «carga base» que operaban las 24 horas del día y energía hidroeléctrica a gran escala.

A partir de 1958, se ampliaron con plantas de energía nuclear, que han operado de manera casi continua para pagar sus grandes inversiones de capital. A diferencia del carbón y la energía nuclear, la energía solar y eólica son variables; proporcionan energía solo cuando el sol y el viento están disponibles.

La conversión a una red del siglo XXI que se basa cada vez más en recursos variables requiere una forma de pensar completamente nueva. Nuevas fuentes de flexibilidad, la capacidad de mantener la oferta y la demanda en equilibrio en todas las escalas de tiempo, son esenciales para permitir esta transición.

Básicamente, existen tres formas de adaptarse a la variabilidad de la energía eólica y solar: usar el almacenamiento, implementar la generación de manera coordinada en una amplia área del país junto con más transmisión y administrar la demanda de electricidad para que coincida mejor con el suministro. todas las fuentes de flexibilidad.

El almacenamiento ahora lo proporcionan en gran medida las baterías de iones de litio. Sus costos se han desplomadoy se están desarrollando nuevas tecnologías de almacenamiento.

La transmisión ampliada es especialmente valiosa. Cuando el noreste está experimentando una demanda eléctrica máxima en la tarde, todavía hay sol en el oeste. Y, con más transmisión, los grandes recursos eólicos en el centro del país pueden enviar electricidad hacia ambas costas. Los estudios de transmisión han demostrado que interconexiones más fuertes entre las tres redes eléctricas del país son altamente beneficiosos.

Hacer que los edificios sean más eficientes y controlar su demanda también puede desempeñar un papel importante en la limpieza de la red. Edificios utilizan el 74% de la electricidad de EE. UU. Los dispositivos y equipos interconectados con medidores inteligentes pueden reducir y remodelar el uso de energía de un edificio.

Innovaciones que hacen posible una energía 100 % limpia

Muchos analistas creen que EE. UU. puede operar una red eléctrica de manera rentable y confiable. con 80% a 90% de electricidad limpiapero descarbonizar el último 10% a 20% será notablemente más desafiante. Si bien el almacenamiento de corta duración, que dura cuatro horas o menos, se está volviendo omnipresente, es probable que necesitemos proporcionar energía durante algunos períodos en los que los recursos eólicos y solares están bajos. niveles (lo que los alemanes llaman dunkelflaute, o «doldrums oscuros»). Una red de transmisión nacional ampliada ayudará, pero es probable que se necesite cierta cantidad de almacenamiento de larga duración.

Se están explorando numerosas opciones, incluyendo tecnologías alternativas de batería e hidrógeno verde.

Baterías de flujo se encuentran entre los enfoques prometedores en los que estamos trabajando en el Instituto de Energías Renovables y Sostenibles en la Universidad de Colorado.En un diseño típico, el electrolito líquido fluye entre dos tanques de almacenamiento separados por una membrana.Los tanques se pueden escalar en tamaño correspondiente a la duración de almacenamiento deseada.

Hidrógeno verde es una opción de almacenamiento potencial para duraciones muy largas. Se produce al dividir las moléculas de agua con un electrolizador alimentado por electricidad renovable. El hidrógeno puede almacenarse bajo tierra (o en tanques sobre el suelo) y quemarse en turbinas de combustión o volver a convertirse en electricidad. en pilas de combustible El hidrógeno verde es actualmente muy caro, pero se espera que sea más asequible a medida que el Disminuye el costo de los electrolizadores.

Además, están surgiendo nuevos modelos de negocio, diseño de mercado y operador de red. jardines solares comunitariospor ejemplo, permitir que los propietarios de viviendas compren electricidad solar producida localmente incluso si sus propios techos no son aptos para paneles solares. microrredes son otro modelo comercial que se está volviendo común en los campus y complejos que producen electricidad localmente y pueden continuar operando si la red falla.Las microrredes limpias funcionan con energía renovable y baterías.

Los diseños de mercado innovadores incluyen tarifas de tiempo de uso que fomentan el uso de electricidad, como para cargar vehículos eléctricos, cuando la electricidad renovable es abundante. Coordinación ampliada del área de equilibrio Se basa en recursos solares y eólicos variables de una amplia región para proporcionar un suministro general más uniforme. previsión avanzada de energía eólica y solar para minimizar el desperdicio de energía y reducir la necesidad de costosas reservas de reserva. Calificación de línea dinámica permite a los operadores de la red transmitir más electricidad a través de las líneas existentes cuando lo permiten las condiciones climáticas favorables.

En toda la economía, una mayor atención a la eficiencia energética puede permitir la transformación del sector eléctrico, minimizando los costos y mejorando la confiabilidad.

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La energía nuclear también es esencialmente libre de carbono, y mantener las plantas nucleares existentes en funcionamiento puede facilitar la transición a las energías renovables. Sin embargo, las nuevas plantas nucleares en los EE. UU. son muy costosas de construir, tienen largos tiempos de construcción y pueden resultar demasiado costosas para operar en un manera que ayudaría a firme variable solar y eólica.

En nuestra opinión, la urgencia del cambio climático exige minimizar un esfuerzo total para abordarlo. Tener un objetivo de emisiones para 2035 es importante, pero el camino de reducción de emisiones que toma EE. UU. para alcanzar ese objetivo es fundamental. La necesidad número 1 es agregando dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero a la atmósfera. El mundo ya tiene las herramientas para lograr que la red esté entre un 80 % y un 90 % libre de carbono, y los expertos técnicos están explorando una amplia gama de opciones prometedoras para lograr ese último 10 % a 20 %. .