Servicios climáticos para una energía eólica asequible

Las energías renovables son fundamentales en el esfuerzo global de transición hacia economías con menores emisiones de carbono que respalden los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de las Naciones Unidas. Actualmente el sector energético es causante de más de dos tercios de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero (Consejo Mundial de Energía Eólica, 2016). Por consiguiente, la transición global hacia un futuro con bajas emisiones de carbono conlleva un cambio fundamental e integral en todo el sector energético (Organización de Cooperación y Desarrollo Económicos (OCDE) y Organismo Internacional de Energía, 2016).

La energía renovable proviene de fuentes naturales como la luz solar, el viento, la lluvia, las mareas, las plantas y el calor geotérmico. Todas estas fuentes ofrecen beneficios ambientales, económicos y de seguridad energética pero también conllevan grandes desafíos. En particular, la generación y la planificación operativa de la energía renovable se ven muy afectadas por el tiempo y el clima, que causan amplias variaciones tanto en el suministro de la energía como en la demanda. Por esta razón, el Marco Mundial para los Servicios Climáticos (MMSC) lidera los esfuerzos internacionales para mejorar la calidad, la cantidad y la aplicación de información y predicciones climáticas para apoyar la toma de decisiones de los productores de energía renovable (Hewitt y otros, 2012)

La iniciativa del MMSC, encabezada por la OMM, coordina los esfuerzos de las Naciones Unidas, los gobiernos y las organizaciones para desarrollar información climática con base científica para diversos sectores sensibles al clima. Busca incorporar la información y las predicciones climáticas en la planificación, la política y la práctica socioeconómicas. La iniciativa tiene cinco componentes: plataformas de interfaz de usuario; sistemas de información de servicios climáticos; observaciones y vigilancia; investigación, modelización y predicción; y desarrollo de capacidad. El MMSC proporciona una hoja de ruta para el desarrollo de servicios climáticos fáciles de usar que puedan contribuir a lograr un sistema energético más ecológico y eficiente (OMM, 2017).

La energía eólica ha liderado el reciente crecimiento de la capacidad basada en energías renovables, y se espera que continúe siendo la mayor fuente de energía renovable hasta el año 2030 (Consejo Mundial de la Energía Eólica, 2016). Sin embargo, la mayor expansión de la producción de energía eólica requerirá, en particular, mejores predicciones climáticas que estimen con mayor acierto los cambios en la velocidad del viento para las próximas estaciones, años y décadas; algo que resulta crucial para prever los suministros de energía eólica, lo que, a su vez, es necesario para facilitar la integración a gran escala de la energía eólica en el sistema energético más amplio.

Para atender las necesidades del sector de las energías renovables, el grupo de Servicios del Sistema Terrestre del Centro Nacional de Supercomputación de Barcelona (BSC) aplica su conocimiento científico del sistema de la Tierra y su experiencia en predicción del clima para ofrecer servicios climáticos orientados a la toma de decisiones. El objetivo es impulsar prácticas y decisiones climáticamente inteligentes en el sector eólico que mejoren considerablemente su capacidad de adaptación a los fenómenos meteorológicos extremos y a la variabilidad del clima y el cambio climático, y que respalden toda la cadena de operaciones durante el ciclo de vida completo de un parque eólico.

Predicciones climáticas estacionales

Figura 1. Etapas del desarrollo de un parque eólico, actores involucrados en cada etapa y horizontes temporales de la información climática utilizada. Mientras las predicciones meteorológicas se limitan a dos semanas, las climáticas se extienden a más largo plazo en el futuro, desde estaciones hasta décadas, y las proyecciones climáticas aún a más largo plazo, desde décadas hasta siglos.

Para gestionar de manera eficiente la energía, es esencial pronosticar la variabilidad de los recursos eólicos en diferentes escalas de tiempo (figura 1). Tradicionalmente, los usuarios de la energía eólica han utilizado las predicciones del tiempo desde unas horas hasta unos días vista porque los vientos próximos a la superficie y, por lo tanto, la producción de energía eólica, dependen en gran medida de las fluctuaciones de la velocidad del viento a corto plazo. Sin embargo, para orientar las inversiones y la selección de emplazamientos de parques eólicos a plazos más largos, del orden de algunas décadas, la industria eólica está cada vez más interesada en las proyecciones climáticas a largo plazo.

Para cubrir la falta de información del período que va desde un mes hasta una década en el futuro, el sector de la energía eólica asume actualmente que las condiciones futuras serán similares a las del pasado. Este enfoque hace que sea imposible anticipar eventos que, aparentemente, nunca han ocurrido antes. Afortunadamente, para superar esta limitación, cada vez es más posible la utilización de predicciones estacionales probabilísticas que ofrecen información adicional para aplicaciones de energía eólica (Clark y otros, 2017; Torralba y otros, 2017).

El alcance de las predicciones estacionales va de un mes a poco más de un año en el futuro. Estas predicciones son probabilísticas y ofrecen información sobre la probabilidad de ocurrencia de determinados resultados en lugar de un único “sí” o “no” de la predicción determinista. Las predicciones de viento estacional pueden usarse para obtener la probabilidad de que la velocidad del viento estacional sea superior, cercana o inferior a la normal. Estas categorías se obtienen dividiendo la distribución en terciles (tercios iguales), pero también se podrían definir otras categorías (por ejemplo, utilizando quintiles o quintas partes) si respaldan mejor las decisiones requeridas (por ejemplo, si lo que interesa es estudiar las velocidades extremas del viento). Para evaluar si estas predicciones satisfacen los requisitos de los usuarios, su calidad debe ser examinada utilizando diversas medidas de verificación. Los resultados proporcionan a los usuarios de energía eólica una guía para saber si las predicciones estacionales pueden orientar mejor los enfoques que están utilizando actualmente.

Figura 2. Estructura de la Iniciativa de servicios climáticos basada en el Marco Mundial para los Servicios Climáticos

La principal deficiencia de las predicciones estacionales radica en los errores sistemáticos resultantes de la incapacidad de los modelos de circulación global de reproducir todos los procesos relevantes responsables de la variabilidad climática (Doblas-Reyes y otros, 2013). Por consiguiente, las predicciones estacionales requieren que se realicen ajustes de sesgo para minimizar los errores de predicción y así generar información útil. Varios métodos estadísticos de vanguardia se centran en la corrección de estas predicciones. Entre ellos se incluyen la representación gráfica de cuantiles (Themeßl y otros, 2012), el método de calibración (Doblas-Reyes y otros, 2005) y técnicas simples que solo ajustan el sesgo medio (Leung y otros, 1999). Estos métodos producirán predicciones estacionales cuyas propiedades estadísticas son similares a las de las referencias de observación subya- centes, lo que permite al negocio energético integrar fácilmente las predicciones estacionales corregidas de sesgo en sus modelos (Torralba y otros, 2017).

Para ofrecer información específicamente adaptada para la toma de decisiones se pueden generar predicciones estacionales del factor de capacidad, un indicador ampliamente utilizado que permite comparaciones equitativas entre parques eólicos de diferentes tamaños. Durante un período de tiempo, da idea del porcentaje de energía generada con respecto al máximo alcanzable si el parque estuviera operando todo el tiempo a pleno rendimiento. En este sentido, el factor de capacidad de un parque eólico mide la idoneidad de las condiciones atmosféricas para producir energía durante un determinado período de tiempo. El factor de capacidad se calcula utilizando las curvas de potencia proporcionadas por el fabricante que relacionan la velocidad del viento con la potencia de salida de una turbina específica.

La Iniciativa de servicios climáticos del grupo de Servicios del Sistema Terrestre

La Iniciativa de servicios climáticos del grupo de Servicios del Sistema Terrestre (en adelante, “la Iniciativa”) para las energías renovables se centra en el suministro de información climática útil y manejable para el sector de la energía eólica a escalas de tiempo subestacional, estacional y decenal. El objetivo principal de esta Iniciativa es proveer al sector de la energía renovable de servicios climáticos que ayuden a los usuarios a comprender y gestionar los riesgos y oportunidades relacionados con el clima. Esta Iniciativa está liderada por el BSC y ha sido desarrollada por investigadores del clima y la energía junto con socios industriales, aprovechando las lecciones fundamentales aprendidas de proyectos anteriores de servicios climáticos (CLIM-RUN, SPECS, EUPORIAS y RESILIENCE[1])

Los proveedores de servicios climáticos deben comprender y caracterizar la cadena de valor de los usuarios potenciales y los impactos que los servicios climáticos pueden tener en sus decisiones en cada eslabón de la cadena. Para conseguirlo llevar a cabo, la Iniciativa abarca la mayoría de los componentes del MMSC (figura 2):

1. una plataforma de interfaz de usuario, con la página web del grupo de Servicios funcionando como un espacio en línea donde los interesados pueden definir sus necesidades y aportar retroalimentación para garantizar que los productos finales satisfagan sus requisitos;
2. un sistema de información de servicios climáticos alojado en la página web del grupo de Servicios (www.bsc.es/ ), que funciona como una plataforma en línea para generar y distribuir productos climáticos para la energía renovable y materiales de comunicación destinados a facilitar la toma de decisiones;
3. la investigación, modelización y predicción que, como la Iniciativa, se sustenta en investigaciones punteras en climatología y predicción climática a diferentes escalas espaciales y temporales, permitiendo al BSC impulsar los servicios climáticos y las aplicaciones en materia de energías renovables; y
4. el desarrollo de capacidad, que abarca los cinco componentes del MMSC, impulsado por el equipo multidisciplinario del grupo de Servicios compuesto por climatólogos, expertos en energías renovables, científicos sociales y comunicadores, y que aprovecha la infraestructura de grandes datos y las instalaciones de supercomputación proporcionadas por el BSC permitiendo que esta Iniciativa desarrolle servicios climáticos eficaces y oportunos.

La página web del grupo de Servicios invita a los usuarios a opinar para garantizar que los resultados se adaptan a sus necesidades. A continuación se muestran ejemplos de los materiales específicos disponibles en ella:

1. fichas informativas que explican los conceptos climáticos que pueden ser difíciles de entender para los no especialistas, tales como el concepto de predicción probabilística, las escalas temporales asociadas con la ciencia del clima, la evaluación de la calidad (habilidad y exactitud) y la fiabilidad de las predicciones climáticas;
2. boletines estacionales de predicción del clima de inviernos anteriores que comparan las predicciones con las observaciones con el fin de involucrar a los interesados en el uso de los pronósticos climáticos estacionales como herramienta adicional para orientar su toma de decisiones;
3. estudios de casos correspondientes a determinados eventos del pasado de interés para los socios industriales, para los cuales se muestra una comparación entre las predicciones climáticas y lo que realmente sucedió con el fin de estimar el valor añadido del uso de predicciones estacionales en lugar de los enfoques de predicción actuales basados en las observaciones históricas; y
4. material de investigación dirigido a audiencias especializadas, como notas técnicas, publicaciones científicas y un repositorio de imágenes

El producto más conocido proporcionado por la Iniciativa es el prototipo RESILIENCE para el viento. Se trata de una interfaz interactiva de servicios climáticos que la industria eólica puede utilizar para explorar las predicciones probabilísticas de velocidad del viento para la próxima estación (figura 3). Se diseñó y desarrolló bajo el auspicio de los proyectos EUPORIAS y CLIM4ENERGY[2] para apoyar a propietarios de parques eólicos, operadores y proveedores de energía que necesitan entender cómo variará el viento en los próximos meses a fin de anticipar ingresos, planificar operaciones de mantenimiento o prever los precios de la energía.