Global system value of tidal stream energy for cost-effective decarbonisation

Planteamiento del Problema
Se proyecta que la demanda mundial de electricidad crecerá significativamente para 2050 y 2100, lo que requiere el despliegue rápido de tecnologías maduras de bajas emisiones de carbono junto con la comercialización de otras emergentes. La energía de las corrientes de marea, que aprovecha las corrientes submarinas, ofrece características temporales distintivas: es independiente del clima, altamente predecible y opera en ciclos diurnos y semidiurnos regulares. Sin embargo, al ser una tecnología precomercial, actualmente enfrenta costos de capital y un costo nivelado de la energía (LCOE) sustancialmente más altos en comparación con las tecnologías maduras de viento y solar. Las evaluaciones existentes de la energía de las corrientes de marea se han visto limitadas por un enfoque en modelos de despacho deterministas en lugar de expansión de capacidad de menor costo, un sesgo geográfico hacia el Reino Unido y una falta de análisis sobre cómo la energía de las mareas influye en métricas sistémicas más amplias como los requisitos de almacenamiento, el uso de la tierra y la demanda de materiales. La pregunta central abordada es si las características operativas únicas de la energía de las corrientes de marea proporcionan suficiente valor al sistema para justificar su prima de costo en un sistema eléctrico mundial en descarbonización.

Metodología
Los autores implementaron un modelo de expansión de capacidad de menor costo utilizando el marco PyPSA (Python for Power System Analysis). El estudio evaluó 20 sitios de corrientes de marea distribuidos globalmente, que representan una amplia gama de condiciones de recursos solares y eólicos. Cada sitio fue modelado como un sistema eléctrico independiente compuesto por:

• Fotovoltaica solar (PV)
• Eólica terrestre
• Generación de corriente de marea
• Almacenamiento de energía mediante baterías (duración fija de 2 horas, eficiencia de ida y vuelta del 80%)
• Una turbina de ciclo abierto de gas (OCGT) despachable para satisfacer la demanda residual

El modelo minimizó los costos anualizados totales del sistema optimizando conjuntamente las capacidades instaladas de generación y almacenamiento, así como el despacho horario durante un año representativo (2019). La optimización estuvo sujeta a restricciones de emisiones de carbono progresivamente más estrictas, que variaron desde una reducción del 80% hasta el cero neto. El estudio utilizó factores de capacidad solar y eólica horarios provenientes de los datos de reanálisis NASA MERRA-2 y velocidades de corrientes de marea reconstruidas mediante análisis armónico o simulaciones de modelos hidrodinámicos.

Para asegurar la robustez, los autores realizaron análisis de sensibilidad sobre:

• Proyecciones de costos tecnológicos para 2050 de bajo, central y alto (simulaciones de Monte Carlo).
• Perfiles de demanda variables en el tiempo.
• Especificaciones alternativas de almacenamiento de batería (duración de 6 horas).
• Factores de capacidad reducidos de las turbinas de corrientes de marea.

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio cuantifica el valor sistémico global de la energía de las corrientes de marea, revelando que su valor depende altamente de la mezcla dominante de recursos renovables (viento frente a solar) y de la rigurosidad de las restricciones de carbono.

1. Reducción de Costos del Sistema:

   • Sistemas Dominados por el Viento: En regiones donde el viento es el recurso dominante (por ejemplo, Pentland Firth, Escocia), la energía de las corrientes de marea se vuelve cada vez más valiosa a medida que las restricciones de carbono se vuelmedian más estrictas. En sistemas de cero neto de menor costo, el despliegue de la energía de las corrientes de marea redujo los costos totales del sistema en más del 20%. Esto se logra aumentando la diversidad temporal de la generación renovable, lo que reduce la necesidad de almacenamiento por batería (entre un 20% y un 55%) y minimiza el recorte de energía renovable (curtailment).
   • Sistemas Influenciados por la Energía Solar: En regiones dominadas por recursos solares (por ejemplo, Estrecho de Akashi, Japón), la energía de las corrientes de marea proporciona reducciones de costos constantes a través de la mayor parte del rango de restricción de emisiones de carbono, aunque con beneficios más modestos que en los sitios dominados por el viento. En escenarios de cero neto, estas reducciones de costos generalmente se limitan al 15% o menos. A medida que las restricciones de carbono se endurecen, la capacidad solar aumenta mientras que la capacidad de las mareas se reduce gradualmente, ya que la combinación de solar con almacenamiento puede proporcionar gran parte del equilibrio diario requerido.

2. Mecanismos de Valor:

   • Reducción de Almacenamiento: El ciclo regular de las mareas, separado por intervalos cortos de aguas tranquilas (slack-water), permite que las baterías ciclen con mayor frecuencia, aumentando la utilidad de la batería y reduciendo la capacidad total de almacenamiento requerida.
   • Mitigación del Recorte (Curtailment): Al proporcionar generación durante periodos de insuficiencia de recursos eólicos (particularmente períodos de baja velocidad del viento de varios días), la energía de las corrientes de marea reduce la necesidad de "sobreconstruir" capacidad renovable para compensar las pérdidas de almacenamiento.
   • Persistencia del Recurso: El estudio identifica que la "persistencia del recurso" (la ocurrencia de generación por encima de un umbral durante una duración específica) es un motor clave. Los sistemas dominados por el viento sufren períodos de baja generación de varios días que el almacenamiento de corta duración no puede cubrir eficientemente; la energía de las corrientes de marea llena este vacío, ofreciendo un alto valor.

3. Implicaciones Sistémicas Más Amplias:

   • Capital y Huella Espacial: El despliegue de la energía de las corrientes de marea reduce significamente los costos de capital "de un día para otro" (del 10% al 80% en sistemas de cero neto dominados por el viento) y los requisitos de área de desarrollo (frecuentemente superando una reducción del 30%).
   • Restricciones de Materiales: Los requisitos de capacidad de batería se reducen entre un 30% y un 80% en sistemas dominados por el viento y entre un 5% y un 45% en sistemas influenciados por la solar, lo que implica reducciones sustanciales en la demanda de litio y alivia las limitaciones de materiales para la transición hacia el cero neto.

4. Métricas Predictivas:

   • La relación entre el factor de capacidad anual solar-viento sirve como un indicador sólido para el cribado de sitios. Los sitios con una relación inferior a 0.6 se comportan como sistemas dominados por el viento con un creciente valor de las mareas ante restricciones estrictas, mientras que las relaciones superiores a 0.45 indican un comportamiento influenciado por la solar.
   • El LCOE combinado de una cartera igualitaria de capacidad solar-viento también funciona como un predictor razonable del valor de la energía de las corrientes de marea.

Significancia
El artículo sostiene que el valor de la energía de las corrientes de marea se extiende mucho más allá de su costo de generación específico. Incluso con una prima de costo de capital y operación, despliegues relativamente modestos de mareas pueden remodelar los sistemas eléctricos de menor costo, entregando reducciones desproporcionadamente grandes en costos del sistema, requisitos de infraestructura y necesidades de materiales.

El estudio concluye que los mayores recursos de marea del mundo, concentrados en regiones dominadas por el viento (como Pentland Firth, Alderney Race y Cook Strait), tienen el potencial de desempeñar un papel significativo en una descarbonización profunda y rentable. No obstante, existen oportunidades también en regiones influenciadas por la solar. Los autores argumentan que las tecnologías renovables emergentes deben evaluarse basándose en su contribución al rendimiento de todo el sistema y la eficiencia de los recursos, en lugar de centrarse únicamente en métricas de costo específicas de la tecnología o disponibilidad de recursos. Este marco proporciona un medio para identificar dónde y cuándo las tecnologías emergentes pueden aportar el mayor valor sistémico en la transición hacia el cero neto.