Cómo la energía eólica distribuida aporta valor a las comunidades remotas y rurales

La energía eólica distribuida, producida por turbinas eólicas que sirven a clientes locales, como pueblos pequeños, granjas, empresas o incluso hogares individuales, podría brindar beneficios económicos, sociales y ambientales a largo plazo en áreas remotas y rurales, como St. Mary's, en Alaska. El pueblo instaló una sola turbina eólica de 900 kilovatios en 2019, y esa turbina produce alrededor del 50% de su energía.

Si bien los proyectos de energía eólica distribuida ya están ahorrando dinero a St. Mary's y otras comunidades y brindando otros beneficios, su adopción ha sido limitada, con solo 1.075 megavatios de capacidad eólica distribuida acumulada desplegada en todo el país entre 2003 y 2021. Falta de conocimiento sobre el valor económico de la energía eólica distribuida, el valor de la energía limpia y la resiliencia energética podrían haber contribuido a su lenta adopción.

Ahora, gracias al proyecto Microgrids, Infrastructure Resilience, and Advanced Controls Launchpad (o MIRACL), esos datos existen y confirman que la energía eólica distribuida podría ser una fuente rentable de energía limpia para muchas comunidades, especialmente aquellas en lugares remotos y áreas rurales, así como un componente clave en sistemas energéticos confiables y resilientes.

"Existe un gran potencial de recursos para la energía eólica distribuida en los Estados Unidos", dijo Ian Baring-Gould, investigador del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de los Estados Unidos y miembro del equipo de investigación MIRACL. “Como recurso renovable, puede ayudar a compensar las emisiones de carbono y proporcionar una fuente de energía limpia para las comunidades. Para algunas áreas remotas o rurales, puede ser la mejor fuente de energía limpia disponible”.

Proyecto Miracl

Lanzado en 2018 por la Oficina de Tecnologías de Energía Eólica del Departamento de Energía de EE. UU., el proyecto MIRACL se propuso evaluar cómo las comunidades podrían integrar de manera segura, efectiva y eficiente la energía eólica en sistemas de distribución, islas, híbridos o microrredes (como St. Mary's, que es una microrred aislada que no está conectada a una red eléctrica más grande).

Para hacerlo, un equipo colaborativo de investigadores de NREL, el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), los Laboratorios Nacionales de Sandia (Sandia) y el Laboratorio Nacional de Idaho (INL) se unieron para promover mejor los muchos beneficios de la energía eólica distribuida, desde el ahorro de costos de energía. a una mayor resiliencia para las comunidades de los Estados Unidos.

“Cuando la gente piensa en la energía eólica distribuida, muchos piensan en una pequeña turbina en un campo”, dijo Caitlyn Clark, investigadora principal del proyecto MIRACL e investigadora de NREL. “Pero hay muchas aplicaciones en las que se puede usar la energía eólica distribuida. El proyecto MIRACL preguntó: '¿Qué barreras impiden que se desarrolle el viento distribuido? ¿Y qué podemos hacer para superar esas barreras?'”.

El equipo de MIRACL identificó cuatro casos de uso principales para la energía eólica distribuida sola o combinada con otros tipos de energía, incluso en redes aisladas y microrredes.

Aunque los fabricantes de turbinas eólicas pequeñas han visto un mayor interés en las microrredes y los sistemas híbridos, que combinan la energía eólica con otras fuentes de energía renovable, como paneles solares y almacenamiento de energía, la capacidad de energía eólica distribuida recientemente agregada se redujo de aproximadamente 22 megavatios en 2020 a 12. megavatios en 2021, dijo Alice Orrell, líder de investigación de viento distribuido en PNNL e investigadora del equipo MIRACL. Eso es casi una reducción del 50%.

Abordar las brechas de conocimiento clave

Parte de esa caída podría atribuirse a la falta de conocimiento sobre el valor de la energía eólica distribuida en términos de beneficios económicos, servicios de red, confiabilidad y resiliencia y seguridad energética. El trabajo del equipo de MIRACL se centra en llenar esos vacíos.

Los expertos de PNNL diseñaron un marco único en su tipo para estimar el valor real de la energía eólica distribuida en una amplia gama de estudios de casos y escenarios.

Los miembros del equipo de NREL y Sandia examinaron los controles avanzados, que operan los sistemas eléctricos y mecánicos de una turbina eólica utilizando una red de sensores conectados a un sistema de procesamiento central. Estos métodos modernos de control de turbinas eólicas individuales pueden compensar, o incluso pronosticar, los cambios en la velocidad del viento para mejorar la forma en que operan las turbinas eólicas en coordinación con otras tecnologías de energía distribuida, como la energía solar y el almacenamiento, para aprovechar la mayor cantidad de energía posible.

Los expertos de INL también analizaron cómo la energía eólica distribuida podría proporcionar una mayor confiabilidad y resiliencia a las comunidades que experimentan eventos climáticos extremos.

El marco de resiliencia que desarrollaron puede ayudar a comparar el impacto de resiliencia de diferentes actualizaciones del sistema, cuantificar el impacto de la energía eólica distribuida en la resiliencia general del sistema y guiar las decisiones de inversión mediante un análisis basado en el riesgo. El marco ahora se está convirtiendo en una herramienta que automatiza el análisis, mejorando la accesibilidad a la investigación.

Además, un equipo con sede en INL evaluó la amenaza potencial que los ciberataques podrían representar para los sistemas de energía eólica distribuida. Sus hallazgos podrían ayudar a los fabricantes y operadores a proteger las turbinas eólicas de esos ataques.

“Las amenazas cibernéticas a la infraestructura de energía eléctrica en general, y específicamente a la energía eólica, continúan creciendo”, dijo Megan Culler, ingeniera de INL e investigadora del proyecto MIRACL. “Para la energía eólica distribuida, los riesgos cibernéticos pueden incluir ransomware, malware no dirigido y otros ataques que se dirigen a la arquitectura a menudo desprotegida”.

El equipo de MIRACL también descubrió que combinar la energía eólica distribuida con la energía solar y el almacenamiento de energía puede mejorar en gran medida la consistencia en la generación de energía. Debido a que estas fuentes se complementan entre sí, estos sistemas híbridos pueden satisfacer mejor la demanda de energía.

“En comparación con la energía solar, la energía eólica distribuida proporciona un perfil de generación diferente que potencialmente puede servir mejor a los clientes tanto por sí misma como en sistemas híbridos”, dijo Clark.

También exploraron el potencial de la energía eólica distribuida, incluso como parte de estos sistemas híbridos o conectados a redes aisladas o microrredes, para ayudar a las comunidades a desarrollar resiliencia y mantener las luces encendidas durante olas de frío, desastres naturales o ataques cibernéticos.

Implementación en el mundo real

El equipo de MIRACL trabajó directamente con las comunidades para analizar cómo la energía eólica distribuida podría ayudar a reducir sus costos de energía o mantener la energía incluso durante eventos climáticos extremos.

Al trabajar con el Centro de Energía de Alaska y la cooperativa eléctrica local de St. Mary's, la Cooperativa Eléctrica de Alaska Village, el equipo de MIRACL también identificó avances tecnológicos de sistemas híbridos para aumentar aún más el ahorro de combustible.

Además del trabajo en Alaska, el equipo se comprometió con Iowa Lakes Electric Cooperative, una cooperativa en el norte de Iowa que instaló dos plantas de energía eólica distribuida de siete turbinas en 2009, cada una con un total de 10,5 megavatios, que se dimensionaron y ubicaron para suministrar dos plantas de etanol locales. El equipo consideró las necesidades de resiliencia específicas de las plantas de etanol y utilizó el marco de valoración, el marco de resiliencia y las herramientas de diseño híbrido para demostrar los beneficios de las plantas existentes y explorar formas de maximizar su potencial.

El equipo también está trabajando con la ciudad de Algona, Iowa, ayudándoles a explorar posibles proyectos híbridos de energía eólica que podrían complementar su suministro de energía actual.

Estas asociaciones pueden ayudar a generar confianza y conciencia sobre el gran valor de la energía eólica distribuida.

Para Rachid Darbali Zamora, ingeniero de Sandia, estas asociaciones comunitarias son lo que más lo emociona del proyecto MIRACL. Junto con las empresas de servicios públicos locales, el equipo está "encontrando soluciones del mundo real para maximizar los impactos de la energía limpia", dijo.