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MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS162

Capítulo

11 Nuevas tecnologías y tendencias en eficiencia energética

Una casa inteligente permite una gestión eficiente del uso de la energía, aportando seguridad y confort, además de comunicación entre el usuario y el sistema. Asimismo, gestiona inteligentemente la iluminación, la climatización, el agua caliente sanitaria, el riego, los electrodomésticos, etc., aprovechando mejor los recursos naturales, utilizando las tarifas horarias de menor costo y reduciendo, de esta manera, la factura energética. Además, mediante el monitoreo de los consumos, se obtiene la información necesaria para modificar los hábitos y aumentar el ahorro y la eficiencia en el consumo de energía.

Casas inteligentesa

a eficiencia energética será un aspecto esencial en la estrategia mundial para lograr un crecimiento sostenible en las próximas décadas; así mismo, asegurar el abastecimiento energético y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y de otros gases contaminantes al ambiente.

El cambio de modelo energético se tiene que entender desde la óptica del consumidor. El usuario está implicado en todos aquellos temas relacionados con la eficiencia y el ahorro energético y con asuntos ambientales. El usuario de hoy demanda mejores soluciones tecnológicas y productos o servicios más ‘verdes’ y eficientes, y es quien ha hecho que las empresas innoven y evolucionen hacia un escenario sostenible.

De esta manera, aspectos que han tenido poco peso para el sector energético cobrarán importancia en los próximos años; así, todo aquello relacionado con el desarrollo de casas y ciudades inteligentes crecerá de manera exponencial. Paralelamente, las tecnologías de la información, como el Big Data, el Internet de las Cosas, la robótica y la Inteligencia Artificial, están cambiando las formas de cómo operan las personas y sociedades, a la vez que permite un uso más eficiente de la energía. La presión por el cambio climático está llevando a las empresas de vanguardia a desarrollar nuevas tecnologías más eficientes con baja o nula emisión de dióxido de carbono (CO2) aplicadas al transporte y generación de energía, dos sectores que aportan buen porcentaje en las emisiones mundiales de GEI.

Así, el objetivo a corto plazo es reforzar el papel de la innovación con el fin de afrontar los retos del cambio climático con respuestas eficientes que, además, garanticen un suministro de energía barato, fiable y sostenible.

En los siguientes párrafos se describen diversas tecnologías eficientes y de baja emisión de carbono, las cuales se han agrupado en dos bloques: uno de tecnologías en maduración que llevan algunos años en desarrollo constante, y otro de tecnologías en auge sobre las cuales están apostando las grandes empresas de tecnología y dando apoyo ciertos Gobiernos del mundo.

L

11.1 Tecnologías en maduración


Una casa inteligente hace la vida más cómoda y permite personalizar sus funciones; por ejemplo, uno llega a su casa y puede decir cuál es su canción favorita y comienza a sonar esa canción, las luces se encienden y apagan solas en sus ambientes en la medida que las ocupan. Cuando uno llega a casa, la temperatura está adecuada porque previamente se ha climatizado de forma automática.

El funcionamiento de una casa inteligente se logra gracias a un sistema domótico, que es una central que gestiona todos los servicios instalados en la vivienda a través de sensores para procesar situaciones y órdenes. Mediante un sistema domótico se pueden realizar acciones, como:

Por lo tanto, el sistema domótico no solo permite el control de dispositivos, sino que hace posible la programación de actividades. Se puede controlar el sistema a través de un teléfono móvil, de una tableta o de una computadora.

El concepto de domótica deviene de la aplicación del Internet de las Cosas al hogar; es decir, de una red que interconecta objetos físicos valiéndose de Internet, con el objetivo específico de crear hogares inteligentes y automatizados.

Fig. 11.1 Casa inteligente, donde todos los artefactos están interconectados mediante Internet y gobernados por un sistema domótico.

Encender y apagar las luces de la vivienda.

Subir y bajar persianas en función de la luz natural.

Abrir y cerrar la puerta del garaje.

Programar la calefacción y el aire acondicionado.

Apagar y encender los electrodomésticos.

Activación y desactivación de la alarma antirrobo.

Visión a través de distintas cámaras de lo que ocurre en casa.

Detectar movimiento mediante sensores.

Detectar humo o fuego.

Hacer llamadas a la policía en caso de robo.


Naciones Unidas (UN) calcula que en el año 2050 un 68% de la población vivirá en núcleos urbanos, a diferencia del 55% de hoy. Este importante incremento demográfico vendrá acompañado también por un aumento del consumo de energía, agua, alimentos y otros recursos, así como un incremento de la contaminación; por lo que los gobiernos tendrán el reto de garantizar la sostenibilidad de las ciudades. Por ello, algunos países ya han emprendido diversas iniciativas apoyadas en la tecnología para convertirse en ciudades inteligentes (smart cities, en inglés).

Las ciudades inteligentes son núcleos de población en los que el empleo de la tecnología se traduce en mejores servicios para los ciudadanos, una mejor gestión de los recursos y un menor impacto en el medioambiente; es decir, que se logra una comunidad que es eficiente, habitable y sostenible.

El propósito final de una ciudad inteligente es alcanzar una gestión eficiente en todas las áreas de la ciudad (urbanismo, infraestructura, transporte, servicios de energía y agua, gestión de los residuos, educación, sanidad, seguridad pública, etc.), satisfaciendo a la vez las necesidades de la urbe y de sus ciudadanos.

En Japón ya existe una ciudad inteligente llamada Fujisawa, situada en la prefectura de Kanawaba, a 50 kilómetros de Tokio; construida sobre un terreno de 19 hectáreas como una ciudad laboratorio del futuro y con una inversión de aproximadamente 480 millones de euros, por un consorcio liderado por Panasonic. Inaugurada en noviembre de 2014.

Ciudades inteligentes (Smart cities)

Beneficios de una ciudad inteligente:

Ejemplos de ciudades inteligentes en el mundo:

b

Promueve la eficiencia energética: Se aplican tecnologías eficientes en la generación, distribución y consumo de energía. De este modo, las ciudades logran reducir el gasto por concepto de energía, lo que se hace palpable no solo desde el punto de vista de la población en general, sino también en los hogares.

Mejora la movilidad: Los esfuerzos se centran en mejorar el tránsito vehicular, disminuir los atascos, facilitar el desplazamiento en transporte público, evitar grandes esperas, o diseñar espacios que favorezcan la micromovilidad y el desplazamiento a pie de las personas.

Preserva el medioambiente: Mediante el empleo de sistemas que optimizan el consumo de energía, la creación de espacios verdes, la promoción del auto eléctrico o de las energías renovables, las ciudades inteligentes tienen un menor impacto en el medioambiente; además, repercute positivamente en la salud de las personas y en la economía de la población.

Logra ciudades más habitables: Mediante una gestión eficiente del agua, la creación de espacios abiertos amigables y seguros, el recojo de residuos segregados para su reaprovechamiento en la medida de lo posible, la creación de zonas verdes, promoción de vehículos eléctricos que se recargan con electricidad de origen renovable, entre otros.


Fig. 11.2 Ciudad sostenible e inteligente de Fujisawa. Fuente: La verdad (2018).

Fujisawa alberga un millar de viviendas y una población de unos 3000 habitantes, donde todo gira en torno a tres pilares: energía, información y estilo de vida. Para ello, se ha incorporado tecnología de última generación con la finalidad de captar y almacenar energía y usarla de manera más eficiente. La ciudad se proyectó para reducir un 70% el gasto energético doméstico y hasta un 20% en el caso de las áreas comunes, además de lograr un consumo de agua 30% menos que una ciudad comparable.

En otras partes del mundo también hay iniciativas de hacer ciudades inteligentes, como es el caso de Ámsterdam (Holanda) donde destaca el proyecto “Luz inteligente”, que consiste en un alumbrado público que permite ajustar la iluminación en función de la situación o necesidad del lugar donde se despliegan. La intensidad de la luz se adapta según el clima o cambia su color; asimismo, las farolas usan LED que consumen menos energía.

En Singapur se tiene desplegada una inmensa red de sensores conectados a Internet que recopila datos en tiempo real del funcionamiento de la ciudad, siendo el objetivo utilizar la información para llevar a cabo iniciativas que mejoren la vida de los ciudadanos. Los sensores permiten, por ejemplo, detectar el riesgo de inundación de los desagües, evitar atascos, ofrecer información sobre el transporte público, detectar la calidad del aire, encontrar un parking libre, entre otros.

Dentro de las ciudades inteligentes se encuentran las redes eléctricas inteligentes (Smart grids, como se las conoce en inglés) que permiten adaptarse a las necesidades del usuario, ofreciendo un sistema energético sostenible y eficiente, con bajas pérdidas y altos niveles de calidad.

Redes inteligentes (Smart grids)c


Fig. 11.3 Esquema del funcionamiento de una red inteligente de energía.

Una red inteligente es una red de energía que integra y utiliza los parámetros de todos sus componentes: generación, transmisión, distribución y consumidores; y en función de ellos, mediante controles avanzados que usan tecnologías de informática y comunicación, logra un suministro de energía eficiente, sustentable y altamente seguro.

Además, las redes inteligentes incluyen a las energías renovables (eólica y solar principalmente) en la red eléctrica, tanto en las centrales eléctricas generadoras, como en las viviendas que incorporan sus propios generadores con energía renovable, cambiando así el actual esquema de la generación centralizada hacia un concepto de generación distribuida.

Uno de los elementos fundamentales en una red inteligente es el medidor de energía, el cual permite una medición inteligente de la energía eléctrica consumida que viene de la red a la vivienda y la generada en la propia vivienda, siendo que esta última se vende a la red en los momentos que se la tenga en exceso, disminuyendo así el gasto en los periodos del día en que sea necesario comprar energía a la red.

Entre otras ventajas, las redes inteligentes permiten:

El monitoreo remoto y control del consumo de energía por Internet, lo que permite encender o apagar equipos eléctricos del hogar desde los celulares o computadoras y programarlos con anticipación.

Central eléctrica

RED INTELIGENTE (SMART GRID)

Red eléctrica Transformador

Generacióninteligente/Punto

de consumo

Consumidor Casa inteligente

Energía consumida

Energía generada


Las redes inteligentes ya se están implementando a gran escala en países de Europa, principalmente Alemania e Inglaterra.

Los vehículos que se abastecen con energías libres de carbono o reducidas en carbono, representan un avance tecnológico y un esfuerzo por la mejora ambiental.

Desde los años 90 se viene impulsando en varios países (Estados Unidos, China, Japón y europeos) el uso de vehículos eléctricos como una forma de depender menos de los combustibles fósiles, reducir el impacto ambiental de las emisiones y frenar el cambio climático.

Un automóvil eléctrico tiene uno o más motores eléctricos para propulsión, que usan energía eléctrica almacenada en baterías recargables. Dichos motores permiten una aceleración fuerte y continua, son más eficientes, menos contaminantes y tienen un menor costo de mantenimiento que los motores de combustión tradicionales.

Componentes de un automóvil 100% eléctrico:

Vehículos eléctricos e híbridos

Vehículos eléctricos

d

Fig. 11.4

Motor eléctrico Bateria

CorrienteAC de red

CargadorAC/DC

Conversor DC/DC

Auxiliares12V

Bateria12V

El monitoreo de la energía que se produce en la vivienda e introduce al sistema si tuviera excedentes (p. ej. si tuviera paneles solares), lo que favorecería un uso más intensivo de las energías renovables.

La reducción del consumo de energía y costos de electricidad, debido a un consumo más preciso y a la selección de las tarifas más baratas en las horas en las que sobra energía en la red.

Que las empresas eléctricas realicen una mejor gestión de la demanda de energía, logrando que el sistema eléctrico nacional sea más eficiente, utilizando menos centrales eléctricas y emitir menos gases de efecto invernadero.


Los automóviles híbridos tienen a la vez un motor de combustión a gasolina convencional y un motor eléctrico. Existen dos versiones: un híbrido no enchufable, cuyo motor de combustión es la fuente principal de energía del vehículo, siendo apoyado por un motor eléctrico secundario que funciona con la electricidad suministrada por una batería que se recarga mediante la conversión de energía cinética en energía eléctrica mediante un sistema de frenado regenerativo. En cambio, en un auto híbrido enchufable, el motor principal es el eléctrico, que se conecta a la red para recargar su batería, y el motor de combustión sirve básicamente de apoyo.

El uso de los vehículos eléctricos permitiría una reducción de las emisiones de CO2 en las ciudades, su impacto en el cambio climático, así como la mejora de la calidad del aire y otros beneficios para los residentes urbanos; pero si sus baterías continúan recargándose con electricidad generada por combustibles fósiles en centrales térmicas, las emisiones generales de CO2 podrían permanecer en gran medida sin cambios. Para que los vehículos eléctricos puedan ayudar a reducir las emisiones de CO2, es necesario que la electricidad que cargan sus baterías provenga de fuentes de energía renovables, como la solar y eólica.

En el Perú, en el marco del Día Mundial de la Eficiencia Energética, fecha que se celebra cada 5 de marzo a nivel mundial, en el 2018 el Ministerio de Energía y Minas (MINEM) presentó el primer vehículo 100% eléctrico como una nueva alternativa para disminuir la contaminación ambiental.

En agosto del 2019 las empresas Enel X, BYD y Taxi Directo pusieron en marcha un proyecto piloto de dos taxis 100% eléctricos a circular durante seis meses en Lima y Callao para recopilar información sobre su rendimiento, costos y ahorros, la reducción de emisiones, así como las eficiencias y las funcionalidades de los cargadores inteligentes. La iniciativa cuenta con dos cargadores: uno en la base de una compañía de taxis y otro en la sede de una empresa eléctrica.

Vehículos híbridos

Motor: Puede ser de corriente alterna o de corriente continua.

Cargador: Absorbe la corriente eléctrica alterna (AC) desde la red (mediante un cable con enchufe) y la convierte en corriente continua (DC) para poder cargar la batería.

Batería: De iones de litio, almacena la energía del cargador en forma de corriente continua (DC). Existe la batería principal que alimenta al motor del auto y la batería secundaria que alimenta a los elementos auxiliares del vehículo, como la iluminación y los sistemas de control, entre otros. La carga de las baterías se realiza en estaciones de carga rápida especiales y demora entre media y una hora; pero si se trata de una red hogareña, puede durar seis a doce horas dependiendo del modelo de auto.

Conversor: Transforma la tensión (voltaje) de la electricidad suministrada por la batería principal hasta un nivel de 12 voltios para ser almacenada en la batería secundaria.

Controladores: Comprueban el correcto funcionamiento por eficiencia y seguridad, y regulan la energía que recibe el motor.


Fig. 11.5 Automóvil híbrido no enchufable.

Una de las ventajas de los vehículos híbridos, en comparación con los vehículos eléctricos, es que al usuario no le resulta indispensable recurrir a estaciones de carga para recargar la batería, lo que sí ocurre necesariamente con los vehículos eléctricos, de ahí la importancia de contar con una red de estaciones en las ciudades y fuera de ellas.

Un vehículo autónomo es un vehículo capaz de imitar las capacidades humanas de manejo y control; de esta manera, es capaz de percibir el medio que le rodea y navegar en consecuencia.

Los vehículos perciben el entorno mediante tecnologías complejas, como láser, radar, sistema de posicionamiento global (GPS) y visión computarizada. Cuenta con un sistema avanzado de control computarizado que interpreta, mediante algoritmos complejos, la información para identificar la ruta apropiada, así como los obstáculos y la señalización relevante.

Existen cinco niveles de automatización para vehículos (excluyendo la automatización cero), que van desde la asistencia básica para el conductor (nivel 1) hasta la automatización completa (nivel 5):

Vehículos autónomos e

BateriaMotor

eléctrico

Motor a gasolina

En el año 2009 se introdujo en el Perú el primer automóvil híbrido no enchufable, el cual genera 40% menos emisiones de CO2 en comparación con un vehículo convencional de motor de gasolina, y tiene un rendimiento que supera los 100 km/galón, casi el doble que uno de gasolina (45 km/gal).


Al año 2019, el sistema de automatización más exitoso en autos de pasajeros todavía llega a un nivel 2, y se está llevando a cabo mucha investigación para que los vehículos lleguen al nivel 3 y niveles más altos. Algunos fabricantes anuncian planes para comercializar autos con nivel 3 de automatización en los próximos dos años, pero la automatización de nivel 5 está aún a décadas de distancia.

Un vehículo 100% autónomo puede tener muchas ventajas: proporcionar una mayor eficiencia en el uso de energía, menos estrés mecánico para las partes móviles del motor y suspensiones, mucha mayor seguridad (ya que se descarta el factor humano sujeto a errores y accidentes como consecuencia de ello) y menores costos globales.

Por ejemplo, en el caso del transporte de personas mediante taxis autónomos, estos recorrerían la ciudad sin descanso ni fatiga, deteniéndose solo para recoger personas y cargar energía, compartiendo trayectos entre personas, llegarían puntuales e incluso podría acortar los tiempos de viaje, minimizando costos y maximizando la seguridad y los beneficios. De hecho, en China en el 2019 ya se inició un programa piloto de Robotaxis, vehículos sin conductor, que busca obtener experiencias para seguir desarrollando y mejorando los vehículos autónomos.

Los vehículos autónomos serán, en su amplia mayoría, eléctricos o híbridos enchufables, lo que favorecerá la reducción de la contaminación del aire y la reducción del ruido del parque automotor.

Sin automatización. Cero autonomía; el conductor realiza todas las tareas de conducción.

Asistencia al conductor. El vehículo es controlado por el conductor, pero algunas funciones de asistencia de conducción pueden estar incluidas en el diseño del vehículo.

Automatización parcial. El vehículo tiene una combinación de funciones automatizadas, como la aceleración y la dirección, pero el conductor debe permanecer conduciendo y controlando el entorno en todo momento.

Automatización condicional. El controlador es necesario, pero no es requerido para controlar el entorno. El conductor debe estar listo para controlar el vehículo en todo momento con previo aviso.

Alta automatización. El vehículo es capaz de realizar todas las funciones de conducción bajo ciertas condiciones. El conductor puede tener la opción de controlar el vehículo.

Automatización completa. El vehículo es capaz de realizar todas las funciones de conducción bajo cualquier condición. El conductor puede tener la opción de controlar el vehículo.

Niveles de automatización en vehículos autónomos

0

1

2

3

4

5


La inteligencia artificial (IA), es la inteligencia llevada a cabo por máquinas. Una máquina «inteligente» ideal percibe su entorno y lleva a cabo acciones para cumplir con éxito algún objetivo o tarea. El término IA se aplica cuando una máquina imita las funciones «cognitivas» que los humanos asocian con otras mentes humanas, como por ejemplo: «percibir», «razonar», «aprender» y «resolver problemas».

A través del Machine learning, la rama de la inteligencia artificial que tiene como objetivo desarrollar técnicas que permitan a las máquinas aprender mediante algoritmos complejos, el sector energético está desarrollando múltiples aplicaciones que le permite adelantarse y predecir en tiempo real la demanda de energía de los usuarios y acomodar la producción de energía de la forma más eficiente.

La empresa Google, por ejemplo, no solo es la primera organización de su nivel que ha logrado desde el 2017 que todas sus operaciones en oficinas y centros de datos sean alimentadas al 100% con energías renovables procedentes de centrales solares y eólicas; sino también que gracias a la aplicación de la IA y diseño de chips en sus centros de datos, han logrado en la actualidad ser más eficientes en el consumo de energía que hace cinco años.

Por otro lado Google ha aumentado en un 20% el valor de la energía que produce en sus centrales eólicas después de instalar su propio software de IA, con algoritmos que predicen la producción de energía con 36 horas de antelación, tomando en cuenta las previsiones meteorológicas y la fluctuación del mercado energético, de tal manera que recomienda las acciones a tomar para entregar la energía comprometida de forma óptima por horas, garantizando la estabilidad de la red y que la empresa reciba el precio más alto posible por la energía generada.

Inteligencia artificial f

Google también ha aplicado la IA en el control de los sistemas de enfriamiento de sus centros de datos, que son instalaciones complejas con equipamiento informático y electrónico donde se almacenan petabytes de información y se suministran servicios a millones de clientes, y donde el consumo energético es enorme, y sus operadores siempre tratan de alcanzar la máxima eficiencia energética para reducir los costos operativos. En el control de los sistemas de enfriamiento de los equipos se emplean los datos de monitorización de diversos sensores que analizan una serie de variables (temperatura del aire exterior, presión barométrica, humedad, carga de energía del centro de datos, presión de aire en la salida de aire caliente de los servidores, entre otros), el sistema inteligente analiza toda esta información en tiempo real y, en función de las condiciones climáticas exteriores, realiza los cambios de forma automática en los sistemas de refrigeración, optimizando al máximo el consumo de energía, habiendo logrado una reducción del 40% en dicho consumo.


Baterías de iones de litio (Li-Ion): Las primeras baterías se usaron para los dispositivos electrónicos de consumo (teléfonos, celulares, cámaras, laptops, etc.), y ahora se están desarrollando celdas de mayor tamaño para aplicaciones de almacenamiento de energía en vehículos eléctricos y en el almacenamiento de energía estacionaria en centrales eléctricas. Estas baterías son ideales para cubrir cortos periodos de intermitencia, y tienen un ciclo de vida promedio entre dos y siete años.

Baterías de flujo redox (RFB): El nombre "redox" se refiere a las reacciones químicas de oxidación y reducción que se emplean para almacenar energía en soluciones de electrolitos líquidos que fluyen a través de una batería de células electroquímicas durante la carga y descarga. La más prometedora es la batería de flujo redox de vanadio que puede almacenar más energía y durar hasta 25 años, lo que las hace adecuadas para instalaciones que desean acumular suficiente energía durante semanas o meses.

La electricidad es una de las formas de energía más utilizadas en la sociedad moderna, y tradicionalmente la que se genera en las centrales eléctricas debe coincidir con la demanda eléctrica en cualquier momento para que no se produzcan apagones o sobrecargas en la red. Este problema se ha venido solucionado mediante el uso de generadores con motor de combustión diésel de rápido arranque (por ejemplo un grupo electrógeno), interconexiones de redes con otros países, con el almacenamiento por bombeo de agua. Sin embargo, dichas soluciones son difíciles de implantar en los sistemas actuales, que evolucionan desde la generación centralizada en grandes centrales eléctricas hacia la generación distribuida con instalaciones de generación más pequeñas, basadas en tecnologías renovables y de alta eficiencia.

El almacenamiento de energía está cobrando mucho interés en la actualidad y se considera una nueva revolución energética porque cambiará radicalmente la forma en que se planifican y gestionan los sistemas energéticos de todos los tipos y tamaños. Su importancia se debe a un simple concepto: el desacoplamiento entre la generación y la demanda de la energía eléctrica, además que permite a las energías renovables intermitentes (solar, eólica, etc.) tener un mejor desempeño a la hora de entregar su energía a la red.

Existen cinco categorías principales de tecnologías que se están implementando actualmente en todo el mundo:

Almacenamiento de energía

Baterías

Tecnologías de almacenamiento de energía

a

Incluyen una gama de almacenamiento electroquímico, tales como baterías químicas avanzadas, baterías de flujo y condensadores.

11.2 Tecnologías emergentes


Condensadores: Son sistemas de almacenamiento electroquímicos muy similares a las baterías, pero con un mayor rendimiento para los ciclos de carga y descarga, también tienen una densidad de potencia mucho mayor.

Almacenamiento térmico

Fig. 11.6 Batería de flujo redox con electrolitos que almacenan energía.

Las tecnologías de almacenamiento de energía térmica permiten almacenar temporalmente la energía producida en forma de calor o frío para su uso en otro momento. Por ejemplo, las modernas centrales solares térmicas producen toda su energía cuando el sol brilla durante el día. El exceso de energía producida durante el pico de luz solar se usa para fundir una sal (u otros materiales), que se mantiene caliente en un recipiente aislado, y cuyo calor se puede usar en la noche para producir vapor y generar electricidad mediante turbinas de vapor. Alternativamente, una instalación puede usar la electricidad "fuera de pico" cuyo precio es más bajo durante la noche para producir hielo, que se pueden incorporar al sistema de enfriamiento de un edificio para reducir la demanda de energía durante el día.

Tanque de electrolito

Electrolito 1 Electrolito 2

Membranaselectiva

Celda de combustibleregenerativa

Bomba BombaFuente de energía/carga

Tanque de electrolito

Electrodo

Almacenamiento mecánicoSe basa en la utilización de las distintas formas de energía mecánica (cinética y potencial). Dentro de este grupo se encuentran:


Aire comprimido: También llamado CAES (en inglés Compressed Air Energy Storage). La electricidad generada en periodos de baja demanda se usa en compresores que comprimen aire ambiente y lo introducen en una caverna subterránea a elevada presión. Cuando la demanda de energía aumenta, el aire comprimido se libera y envía a unas turbinas de combustión con gas natural para generar electricidad. Se pueden obtener rendimientos en torno al 75%

Volantes de inercia: Almacenan energía cinética (energía de rotación) producida por el movimiento de un rotor pesado (volante de inercia) en un espacio de baja fricción, el cual comienza a girar gracias a un motor eléctrico hasta llegar a una velocidad de rotación alta (10 000 a 100 000 RPM dependiendo del material del rotor), momento en el cual el motor se desconecta y el rotor queda girando solo a una velocidad constante, almacenando así energía de rotación. Cuando se necesita usar la energía del rotor, se conecta el circuito del generador (el mismo motor, pero actuando ahora como generador): la inercia permite que el rotor continúe el giro y la energía cinética se convierte en electricidad, con lo cual el rotor se va frenando y pierde velocidad de giro, quedando listo nuevamente para iniciar el ciclo de carga conectándose al circuito del motor eléctrico. El rendimiento puede llegar al 90%.

Fig. 11.7 Almacenamiento de aire comprimido en una caverna subterránea y posterior uso en turbinas de gas para generar electricidad en un generador. La electricidad para hacer funcionar el compresor de aire proviene de una central eólica cuando baja su demanda.

Fig. 11.8 El volante de inercia (rotor) almacena energía al girar por accionamiento del motor, y cuando llega a elevada velocidad entrega su energía de rotación al generador para producir electricidad.

Central Eólica Aire

ComprensorRecuperador

Turbina de alta presión

Aire almacenado en caverna para uso posterior

AireComprimido

Caverna subterránea

Turbina de baja presión

Generador

Combustible (gas natural)

Ejes de rotación

Motorgenerador

Rotor

Bombade vacío

Cojinetesmagnéticos superiores

Cubierta protectora

Cojinetesmagnéticosinferiores

abc

Exceso de energía es usada para alimentar un compresor


Hidrógeno

Bombeo de agua

El hidrógeno es un combustible gaseoso con un alto poder calorífico, que se produce actualmente a partir del gas natural en su mayoría, siendo los cuatro usos principales: la refinación del petróleo, la producción de amoniaco, el metanol y el acero.

El hidrógeno está emergiendo como un formidable actor en la transición energética hacia un mundo libre de carbono. La tendencia es que el hidrógeno se produzca mediante un proceso conocido como electrólisis en momentos de baja demanda de electricidad y se almacene utilizando distintas tecnologías (gas comprimido, líquido o en estado sólido), y cuando exista un pico de demanda eléctrica, el hidrógeno almacenado se transforme en electricidad mediante motores y turbinas que lo usen como combustible, o bien con procesos electroquímicos más eficientes que almacenan la energía en pilas de combustible. Sin embargo, el rendimiento del ciclo completo electricidad – hidrógeno – electricidad (40%), es inferior a otras tecnologías, pero tiene la enorme ventaja que su capacidad de almacenamiento es mucho más alta.

Es una de las tecnologías de almacenamiento de energía más establecidas, y se usa desde el siglo pasado, pero tendrá un nuevo auge. Consiste en una central hidroeléctrica que, además de generar electricidad, es capaz de bombear agua a un reservorio situado a una altura superior cuando hay baja demanda. De este modo, aprovechando la energía potencial del agua, se pueden realizar descargas controladas de agua desde el reservorio para ayudar a regular los picos de la curva de carga durante los periodos de alta demanda. El rendimiento global ronda el 65%.

Si bien en las últimas décadas la generación de electricidad con energías renovables en centrales eólicas y solares ha ido creciendo, siempre fue de naturaleza intermitente; es decir, producen energía cuando el sol brilla y cuando el viento sopla. Dado que dichas tecnologías dependen mucho del clima y su producción eléctrica varía con el tiempo, a menudo se hace difícil programar la entrega de la electricidad producida a la red con un alto nivel de certeza a diferencia de las centrales térmicas e hidroeléctricas convencionales. Al almacenar la energía que producen y entregarla cuando la demanda de la red aumenta, dichas tecnologías limpias pueden continuar alimentando la red eléctrica incluso cuando no hay sol o viento, nivelando así los saltos en la producción al entregar la energía de forma continua y confiable durante todo el día.

La acumulación de energía también es de aplicación en el suavizado de las curvas de demanda eléctrica. A modo de ejemplo, en un día típico de consumo eléctrico se aprecian dos picos, uno por la mañana y otro a última hora de la tarde, y dos valles, uno muy pronunciado por la noche y otro de menor profundidad por la tarde. Por tanto, para cubrir la demanda durante el día, se deben instalar grandes capacidades de generación de potencia que quedan sin uso durante la noche. Sin embargo, si existiera la suficiente capacidad de almacenamiento energético, se podría almacenar la energía generada sobrante en horas de baja demanda para utilizarla más tarde cuando esta sea muy elevada y la capacidad de generación insuficiente.

Además, sirve como apoyo a Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (SAI) para data centers, torres de telecomunicaciones, catenarias de ferrocarril, sistemas de regadío, etc.

Beneficios del almacenamiento de energía


En varios países ya se ha empezado a aplicar el almacenamiento de energía; uno de ellos fue el Proyecto “STORE”, iniciado en 2014 en las Islas Canarias, que buscaba evaluar el empleo de sistemas de almacenamiento a gran escala con el objetivo de integrar de forma plena las energías renovables en el sistema eléctrico. El proyecto quería demostrar la viabilidad económica y energética de la integración de tres tecnologías de almacenamiento de energía (Baterías Li-Ión, condensadores y volantes de inercia) en un entorno real. Los resultados han sido bastante satisfactorios, ya que han conseguido demostrar que el almacenamiento de energía es un elemento indispensable para la creación de un sistema eléctrico estable y sostenible desde un punto de vista ambiental.

En el 2019 se firmó un acuerdo en California (Estados Unidos) para implementar la más grande instalación de baterías de almacenamiento de energía en combinación con una central solar fotovoltaica de 400 MW, en el desierto de Mojave, la cual estará operativa en el 2023.

Proyectos

El mundo se ha dado cuenta de que tiene una importante oportunidad de aprovechar el enorme potencial del hidrógeno para lograr un futuro energético más sustentable y seguro. Por ello, en la actualidad el desarrollo del hidrógeno limpio está recibiendo bastante soporte de los Gobiernos y empresas en todo el mundo.

El hidrógeno ofrece muchas maneras de descarbonizar sectores productivos como la industria química, la producción de hierro y acero, y puede ser transformado en combustibles para autos, camiones, trenes, barcos y aviones.

Hoy se habla del hidrógeno renovable, es decir aquel que se puede generar con energías renovables de bajo costo o en exceso, y que puede almacenarse por largos periodos, incluso estacionales, y luego quemarse rápidamente como combustible en turbinas de gas especialmente diseñadas. Para usar masivamente el hidrógeno renovable, se requerirá nueva infraestructura: una red vasta de electrolizadores, tuberías para transportar hidrógeno en forma segura y el desarrollo de la capacidad de almacenamiento.

Un electrolizador es un dispositivo en el que el paso de la corriente eléctrica disocia el agua (electrólisis) en sus dos componentes: oxígeno (O2) e hidrógeno (H2). El H2 obtenido se comprime en un tanque para hacer más fácil su almacenamiento, mientras que el O2, que no tiene contenido energético, se libera a la atmósfera, de la que ya es componente. El H2 se mantiene almacenado a presión hasta el momento en el que debe emplearse para generar energía eléctrica en situaciones de demanda o necesidad de gestión energética.

Actualmente se está llevando a cabo mucha investigación en varios países para desarrollar electrolizadores de alto rendimiento, eficiencia y pureza en la obtención de hidrógeno, pues se considera que es una tecnología que tendrá gran demanda en el mundo.

Hacia una economía basada en hidrógeno b


Hidrógeno para generación eléctrica: El H2 puede ser utilizado como combustible para generación eléctrica en una turbina de gas, la cual es similar a las que usan gas natural, pero adaptada para hidrógeno. La combustión del H2 con el O2 del aire libera solo vapor de agua, que es totalmente inocua al ambiente. Los principales fabricantes de turbinas del mundo tienen mucha experiencia en quemar gases combustibles hasta con 90% de hidrógeno en sus turbinas, y están desarrollando la tecnología para poder quemar 100% de hidrogeno, dentro de pocos años.

Actualmente, en varios países desarrollados del mundo (Australia, Estados Unidos, China, Japón, Canadá, Alemania, Noruega, etc.) se han iniciado proyectos con energías renovables (centrales eólicas y solares) relacionados con la producción de hidrógeno y su empleo como combustible en la generación eléctrica y otros usos.

Hidrógeno para transporte: Como combustible en autos, buses, trenes, entre otros, el hidrógeno es almacenado en un tanque dentro del vehículo, de donde se alimenta a una celda o pila de combustible que a su vez produce electricidad que emplea un motor eléctrico y mueve el vehículo. A diferencia de los combustibles fósiles, la combustión del hidrógeno no produce CO2 ni otros contaminantes, tan solo vapor de agua, inocuo al ambiente. La ventaja del hidrógeno sobre los autos eléctricos con baterías de Li-Ion es que permite mayor autonomía de recorrido, es más ligero, ocupa menos espacio y se recarga en pocos minutos. Actualmente ya existen cerca de 11 200 vehículos (autos, buses y trenes) en el mundo circulando con hidrógeno como combustible.

Fig. 11.9 El auto de hidrógeno se carga en pocos minutos, tiene alta autonomía y solo emite vapor de agua por el escape.

Tanque de hidrógeno

H2

Bateria de alto voltaje Pila de

combustible Motoreléctrico


Hasta la fecha, las aplicaciones de la energía nuclear han estado dirigidas, casi exclusivamente, a la producción de electricidad. En virtud del creciente interés mundial en el hidrógeno, se estima que la cantidad de energía necesaria para su producción en los electrolizadores será considerable dentro de pocos años. Por dicha razón, hay un gran interés en las fuentes de energía que puedan producir hidrógeno de forma eficiente y abundante, y es aquí donde los reactores nucleares podrían jugar un papel importante, además de la generación de electricidad sin emisiones de CO2.

Las principales vías de producción de hidrógeno en reactores nucleares serían:

Los ciclos termoquímicos deben acoplarse a reactores nucleares de IV generación, que pueden generar temperaturas superiores a los 900 ºC en el fluido de enfriamiento; pero esta clase de reactores que trabajan a mayor temperatura y son más rápidos y seguros que los de generaciones anteriores, todavía están en fase de desarrollo.

En Estados Unidos, la Oficina de Energía Nuclear del Departamento de Energía (DOE) tiene un Proyecto de Desarrollo de Reactores Avanzados cuyo objetivo es mejorar la competitividad a largo plazo del sector nuclear, en virtud del cual está financiando tres proyectos demostrativos de producción de hidrógeno en tres plantas nucleares a partir de 2020 y 2021.

Generación de hidrógeno en reactores nuclearesc

Electrolisis de alta temperatura (emplea electricidad de origen nuclear y vapor generado por aprovechamiento del exceso de calor que porta el helio con el que se enfría el reactor)

Ciclos termoquímicos. Uso de calor nuclear para la rotura de la molécula de agua mediante series de reacciones a alta temperatura. Se necesitan altas temperaturas y reactivos económicos que puedan reciclarse para que este proceso sea viable.


Eficiencia energética

ENERGÍAFabricante

XYZ

Modelo

XYZ

Tipo de artefacto Refrigerador

AB

CD

EF

G

B

Menos eficiente (Mayor Consumo)

Consumo de energía (kWH/año)

El consumo real varia dependiendo de las condiciones

de uso del artefacto y su localización

Consumo de energía específico (kWh/año)/litro

XYZXYZ

Clase de clima

Clasificación del compartiemto de baja

temperatura

TROPICAL(T)

Volumen neto de alimentos frescos (litros)

Volumen neto del congelador(litros)

Ruido dB(A) r e 1 pW

Compare este producto con otros de similares

características

Los resultados se obtienen aplicando los métodos

de ensayos descritos en las Normas Técnicas

Peruanas e Internacionales correspondientes

Esta etiqueta no debe retirarse del artefacto hasta

que esta haya adquirido por el consumidor final

EntidadCertificadora

XYZXYZXYZ

Más eficiente (Mayor Consumo)

RED INTELIGENTE (SMART GRID)

Generacióninteligente/Punode consumo

ConsumidorCasa inteligente

Central eléctricaRed eléctrica

Transformador

Parte II

en el aula

í t u l o 11 c a p nuevas tecnologías y tendencias en

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