Acoplamiento sectorial

Acoplamiento sectorial y diversas tecnologías Power-to-X
Comparación de ciertas cadenas de eficiencia del sistema de energía fósil actual y un sistema de energía renovable electrificada

Bajo sector coupling (también sector coupling o inglés. Sector Coupling o Integrated Energy , al networking de los sectores se le llama) energía e industria entendemos el acoplado, por lo que en un enfoque holístico común se debe optimizar. Tradicionalmente, los sectores de la electricidad , la calefacción (o refrigeración ), el transporte y la industria se han considerado en gran medida independientes entre sí.

La idea detrás del concepto es dejar atrás soluciones que solo se adaptan a sectores individuales, que solo consideran soluciones dentro del sector respectivo, y en cambio llegar a una visión holística de todos los sectores, lo que permite un sistema general mejor y más económico. El acoplamiento sectorial ofrece tres ventajas principales:

Precisamente porque el acoplamiento sectorial permite efectos de sinergia en la integración de altas proporciones de energías renovables , se ve como un concepto clave en la transición energética y el desarrollo de sistemas energéticos con energías 100% renovables. Existe un amplio consenso en que el acoplamiento sectorial es necesario para implementar la transición energética y cumplir con los objetivos de protección climática .

Un sistema de energía de sector acoplado también se conoce como red híbrida ; un sistema que está integrado, concebido de manera holística y operado de manera optimizada sobre varias infraestructuras energéticas se convierte en engl. Llamado Smart Energy System .

definición

Michael Sterner e Ingo Stadler definen el acoplamiento sectorial como la conexión entre los "sectores de electricidad, calor y transporte" y el "consumo no energético de materias primas fósiles (especialmente productos químicos) a través del almacenamiento de energía y los convertidores de energía". Al acoplar los diferentes sectores, es posible utilizar la energía eléctrica renovable como una importante fuente de energía para descarbonizar los demás sectores.

El punto de partida y núcleo del acoplamiento sectorial es el sector eléctrico, que suministra energía procedente de fuentes renovables para todos los demás sectores de consumo. Energy Brainpool recomienda el uso de gases de almacenamiento (energía a gas -> almacenamiento de gas -> gas a energía y calor) para capear los llamados "estanques fríos y oscuros" . Además de la electromovilidad, se está discutiendo el uso de combustibles sintéticos para vincular el sector del transporte .

concepto

Alcanzar los objetivos de protección del clima requiere reducir a cero las emisiones de todos los sectores energéticos. La necesidad de un acoplamiento sectorial surge del hecho de que la energía eólica y la energía solar, las fuentes de energía renovables más importantes, son mucho más adecuadas para generar electricidad que para producir combustibles y calor. En países como Alemania, el potencial de otras fuentes de energía renovable como la bioenergía , la geotermia y la energía solar térmica es limitado, por lo que la mayor parte de la energía tiene que ser producida por energía eólica y sistemas fotovoltaicos . El elemento central del acoplamiento sectorial es, por tanto, la conversión de los sectores de la calefacción y el transporte en electricidad verde , de modo que esta se convierta en la forma de energía más importante para todo el suministro energético. A continuación, se deriva una ruta estratégica, que consiste en la rápida expansión de las fuentes de energía renovables como base energética para el acoplamiento sectorial y se complementa con una expansión paralela de la calefacción con bomba de calor y la electromovilidad . En un sistema de este tipo, las bombas de calor y los coches eléctricos actúan como una carga que se puede encender de forma flexible si es necesario. El uso de bombas de calor y coches eléctricos en lugar de vehículos y sistemas de calefacción de combustibles fósiles ya conduce a una reducción de las emisiones de dióxido de carbono en casi todas las regiones del mundo con la combinación de electricidad actual .

En la literatura de investigación existe una opinión cada vez mayor de que la descarbonización de la generación de electricidad, seguida de la electrificación de casi todos los sectores del sistema energético, será la solución más barata para un sistema energético sostenible y respetuoso con el clima. En su informe especial sobre el calentamiento global de 1,5 ° C, el IPCC también asume que la electrificación de los consumidores finales en combinación con la descarbonización del sector eléctrico es el medio más importante para descarbonizar otros sectores de consumo del sistema energético. Tres cuartas partes de los expertos encuestados en un estudio de Delphi creen que una sociedad totalmente eléctrica será una realidad en 2040 , es decir, una sociedad en la que los diversos sectores de consumo de energía, como la generación de calor, el transporte y la industria, se alimentan principalmente de electricidad procedente de fuentes renovables.

Los desafíos de la oferta fluctuante, especialmente de energía solar y eólica, podrían reducirse significativamente mediante este acoplamiento de los sectores individuales. Mientras que z. B. Enfoques que solo consideran el sector eléctrico por sí solo, que a menudo requieren capacidades de almacenamiento de electricidad comparativamente altas y costosas , el acoplamiento del sector permite un uso significativamente menor del almacenamiento de electricidad, ya que la generación fluctuante de electricidad eólica y solar ya no solo tiene que ser equilibrada en el sector de la electricidad, pero, entre otras cosas, el sector de la calefacción o el sector del transporte también pueden proporcionar la flexibilidad necesaria para compensar las fluctuaciones. Entonces la electricidad excede z. B. puede almacenarse en forma de calor, frío, combustibles sintéticos, etc., sin necesidad de utilizar un costoso almacenamiento de electricidad.

De esta manera, se pueden lograr reducciones de costos significativas en el sistema general, ya que los sistemas de almacenamiento de calor, gas y combustible tienen costos de inversión órdenes de magnitud más bajos que los sistemas de almacenamiento de electricidad. Por ejemplo, los costos de inversión para sistemas de almacenamiento de calor con la misma capacidad de almacenamiento son alrededor de un factor 100 más bajos que para los sistemas de almacenamiento de electricidad. En los casos mencionados, la reconversión de la electricidad resultaría en niveles de eficiencia muy bajos; pero esto no tiene sentido, ya que la reconversión de la electricidad generalmente no se proporciona en absoluto. En cambio, el objetivo del acoplamiento sectorial es acoplar de manera flexible los distintos sectores para compensar la falta de flexibilidad en las energías renovables como la eólica y la fotovoltaica. Esta gestión de carga en los sectores de consumo individual puede servir como un sistema de almacenamiento de electricidad funcional para amortiguar las fluctuaciones en la producción de electricidad renovable y, por lo tanto, asumir las mismas tareas que los sistemas de almacenamiento de electricidad reales. Dado que una gestión de carga de este tipo es casi siempre más barata que el almacenamiento de energía convencional, se señala en la literatura especializada que debe utilizarse de forma prioritaria por motivos de coste.

Al mismo tiempo z. Por ejemplo, se pueden ahorrar más combustibles fósiles si el excedente de electricidad se utiliza en el sector de la calefacción y el transporte a través de bombas de calor y coches eléctricos que si el excedente de electricidad se almacena directamente. En particular, el acoplamiento de los sectores de la electricidad y la calefacción con la calefacción por bomba de calor es importante, ya que se considera que son la forma más eficiente de acoplamiento electricidad-calor. Entonces z. B. el uso de (grandes) bombas de calor en los sistemas de calefacción urbana como una de las formas más prometedoras de aumentar la eficiencia energética de las redes de calefacción y lograr los objetivos de protección del clima . Por lo tanto, el acoplamiento sector es también importante en la medida en que permite el establecimiento de una alta eficiencia energética sistema energético global que es a la vez económica y ecológicamente viable. Además de las bombas de calor, los sectores de la electricidad y la calefacción también se pueden vincular utilizando sistemas clásicos de energía para calentar , como calderas de electrodos de funcionamiento variable , varillas calefactoras y calderas eléctricas. Ambos tipos de acoplamiento, junto con el almacenamiento de calor, permiten una demanda favorable y variable de energía eléctrica. De esta manera, el sector de la calefacción puede proporcionar al sector eléctrico la flexibilidad necesaria para compensar las fluctuaciones en la generación de electricidad a partir de la energía eólica y solar. Por el contrario, la carga residual se puede cubrir de manera eficiente convirtiendo los gases de almacenamiento de nuevo en electricidad utilizando calor y energía combinados, si la generación dependiente del suministro no es suficiente para cubrir la carga. Esto corresponde a un acoplamiento de las infraestructuras basadas en líneas de gas, energía térmica y eléctrica en el sentido de un centro energético.

Mientras que la "primera fase de la transición energética" se centró en promover la generación de electricidad climáticamente neutra, la "segunda fase" se centró en el sistema energético en su conjunto y la adición de estructuras de incentivos para los sistemas de energía inteligente y la utilización de picos de electricidad también como abordar la gestión de la carga por parte de los usuarios de electricidad. Debido al acoplamiento sectorial, se espera que la transición energética en Alemania resulte en un mayor consumo de electricidad de lo que es en la actualidad; por otro lado, sin embargo, el requerimiento de energía primaria disminuirá debido al uso de fuentes regenerativas y la consiguiente mayor eficiencia energética. en generación eléctrica. Hasta ahora, los combustibles fósiles se han utilizado casi exclusivamente en los sectores de calefacción y transporte. Con el uso de los mecanismos de acoplamiento sectorial, según un estudio de dena, será necesario un aumento neto de las energías renovables de hasta 8,5 gigavatios anuales para 2050.

La necesidad de líneas eléctricas adicionales es diferente dependiendo de si el sector eléctrico se considera de forma aislada o los tres sectores energéticos. Dado que se requiere mucha más energía en invierno debido a la demanda de calor, es aconsejable diseñar las capacidades de tal manera que haya un exceso de oferta en verano, que se pueda amortiguar a través de una unidad de almacenamiento a largo plazo y, por lo tanto, se mantenga disponible para el invierno. En general, la electricidad es bastante fácil de transportar, pero almacenarla es caro. Por otro lado, el calor es difícil de transportar a distancias (más largas), pero es fácil de almacenar. La electricidad también se puede convertir muy fácilmente en calor, mientras que al revés es significativamente más complejo.

Elementos de conexión entre los sectores

Existe una gran cantidad de tecnologías disponibles como elementos de conexión entre los sectores, cuya interacción aún no se ha diseñado. Los siguientes elementos de acoplamiento, a menudo resumidos bajo el término general " Power-to-X ", se están utilizando o probando actualmente:

  • Power-to-Chemicals : uso del exceso de electricidad en la industria para la generación específica de químicos básicos para productos químicos
  • Power-to-gas : Generación de gases energéticos a partir del exceso de electricidad renovable mediante electrólisis (división del agua en hidrógeno y oxígeno) y, si es necesario, metanización posterior (producción de gas natural renovable mediante la adición de hidrógeno a átomos de carbono) como elemento central de acoplamiento. entre la infraestructura de electricidad y gas con el objetivo de crear una flexibilidad adicional.
  • Power-to-Heat : Uso de cantidades excesivas de electricidad en el mercado de la calefacción mediante el uso de elementos calefactores controlables en sistemas de almacenamiento de calor locales, en sistemas de calefacción urbana o la conexión de bombas de calor .
  • Power-to-Liquids : proceso para la producción de combustibles a partir del exceso de electricidad a través de la electrólisis / producción de hidrógeno a productos químicos básicos utilizables (metanol) o combustibles a partir de hidrocarburos sintéticos (éster dimetílico, queroseno, etc.)
  • Power-to-Mobility: uso del exceso de electricidad para cargar vehículos eléctricos , lo que en teoría también permitiría que el contenido de la batería se retroalimente a la red. Uso alternativo de metano generado a partir de procesos de conversión de energía a gas para la movilidad de GNC y GNL o de hidrógeno para la movilidad de pilas de combustible
  • Calor y energía combinados (gas a calor y energía): generación combinada de electricidad y calor con plantas combinadas de calor y energía , plantas combinadas de calor y energía o celdas de combustible

Hay una serie de elementos de solución para la optimización conjunta de los sectores:

  • Carga de baterías (por ejemplo, de automóviles) en épocas de exceso de energía solar o eólica
  • Retroalimentación de (por ejemplo, automóviles) baterías ( V2G ) para salvar los déficits en el sistema de suministro de electricidad
  • Las plantas de generación de energía a gas se pueden construir cerca de los principales puntos de generación de electricidad renovable; el transporte de gas puede, bajo ciertas circunstancias, reducir la construcción de nuevas líneas eléctricas.
  • Gracias a la tecnología de conversión de energía a líquido, la optimización energética se puede llevar a cabo a través de las fronteras, ya que los combustibles producidos de manera climáticamente neutra se pueden transportar de forma económica. Estos se pueden utilizar en áreas que son difíciles de convertir (por ejemplo, en el tráfico aéreo, el transporte marítimo, el transporte de mercancías pesadas).
  • Los sistemas para la generación acoplada de energía y calor (CHP) se pueden operar con gas renovable para generar energía eléctrica para cubrir la carga residual positiva y operar disipadores de calor o sistemas de almacenamiento de calor.
  • Con los sistemas de almacenamiento de gas y baterías, se pueden equilibrar las fluctuaciones a corto y largo plazo en la generación y el consumo de electricidad.

enlaces web

literatura

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