Por David Andrés-Cerezo y Natalia Fabra

Las fuentes de energía renovable, como la solar o la eólica, son imprescindibles para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles. Sin embargo, su disponibilidad es volátil, haciendo que su producción fluctúe significativamente en función de las condiciones meteorológicas: los paneles solares no generan electricidad después de la puesta del sol, y las aspas de los molinos de viento no se mueven en los días de calma. La fiabilidad y continuidad del suministro eléctrico exigen, no obstante, que la oferta de electricidad sea suficiente para cubrir la demanda en todo momento y en todos los puntos de la red. Es por ello que la volatilidad de las energías renovables supone un reto para la operación segura de los sistemas eléctricos.

La mayor penetración de las energías renovables en el sistema eléctrico pasa por la búsqueda de soluciones que permitan desplazar la oferta de momentos en los que abundan las energías renovables a otros en los que son relativamente escasas, así como desplazar la demanda en el sentido contrario. Y es aquí donde entra en juego el almacenamiento energético. Las baterías o el bombeo hidráulico, entre otras tecnologías de almacenamiento, permiten contrarrestar la variabilidad de las energías renovables, al almacenar energía cuando los precios son bajos y utilizarla cuando los precios son altos. Esto permite que la energía almacenada, en muchos casos de origen renovable, sustituya a la producción térmica, reduciendo con ello los costes del suministro eléctrico y las emisiones contaminantes.

¿Cómo fomentar las inversiones en energías renovables y tecnologías de almacenamiento? ¿Basta con confiar en el mercado, o se necesitan medidas de apoyo? El drástico descenso en el coste de invertir en energías renovables ha promovido su rápido despliegue, pero las inversiones en almacenamiento energético todavía son escasas a pesar de que sus costestambién han caído. Por ello, en diversos países se están poniendo en marcha medidas adicionales para fomentar las inversiones en almacenamiento energético. Más allá del objetivo de corregir las externalidades medioambientales, estas políticas pueden estar motivadas por la posible existencia de fallos de coordinación entre el desarrollo de las renovables y del almacenamiento energético, fallos que de producirse, impiderían una transición rápida a mercados energéticos libres de carbono. ¿Son estas medidas igualmente eficaces en todas las fases de la transición energética? ¿Deberían adaptarse a las características de cada mercado? ¿Cómo afecta el apoyo a las renovables a los incentivos a invertir en almacenamiento, y vice-versa?

Modelización de mercados eléctricos con almacenamiento de energía

En un artículo reciente, tratamos de responder a estas preguntas a través de dos enfoques: modelizando las decisiones de inversión y operación en los mercados mayoristas de electricidad, y cuantificando las predicciones teóricas con simulaciones del mercado eléctrico español bajo dos escenarios con baja y alta penetración de renovables y diferentes niveles de capacidad de almacenamiento.

En nuestro modelo, las empresas toman sus decisiones de inversión en renovables y almacenamiento y, una vez se ha instalado la nueva capacidad, eligen cuánto producir y cómo gestionar sus sistemas de almacenamiento.

El modelo de negocio del almacenamiento consiste en arbitrar las diferencias de precios a lo largo del tiempo: comprar (p.ej. cargar las baterías) cuando los precios son bajos y vender (p.ej. descargar las baterías) cuando los precios son altos. La disponibilidad de energía renovable afecta a la rentabilidad del almacenamiento al hacer que los precios bajen cuando son más abundantes. Si los precios bajan relativamente más cuando el almacenamiento carga que cuando descarga, la rentabilidad del almacenamiento aumenta cuando hay más renovables; pero, en caso contrario, la rentabilidad del almacenamiento disminuye. Del mismo modo, el almacenamiento afecta positiva o negativamente a la rentabilidad de las renovables dependiendo de si las baterías se cargan o descargan cuando la producción renovable es mayor (nótese que la carga aumenta los precios y la descarga los reduce).

¿Cómo saber si las inversiones en energías renovables potencian o disminuyen los incentivos a invertir en almacenamiento energético, y viceversa? Nuestro modelo predice que la correlación entre la disponibilidad de las energías renovables y los precios de mercado es un factor clave. Si la correlación es negativa (positiva), las renovables tienden a estar disponibles cuando los precios son bajos (altos), que es cuando se almacena (se descarga), lo que hace subir (bajar) los precios a los que las renovables venden su producción, aumentando (disminuyendo) su rentabilidad. Del mismo modo, si esta correlación es negativa (positiva), el despliegue de capacidad renovable deprime los precios cuando se almacena (descarga), aumentando (disminuyendo) así la rentabilidad del almacenamiento.

Simulando el mercado eléctrico español

Por ello, en nuestro artículo exploramos la interacción entre las renovables y el almacenamiento en un contexto determinado – el mercado eléctrico español – y en dos momentos del tiempo – 2019, cuando la penetración de las renovables era relativamente baja (8,7 GW de solar y 25,6 GW de eólica), y 2030, cuando se prevé que las capacidades solar y eólica alcancen 38,4 GW y 48,5 GW, respectivamente.

Para cada escenario, consideramos varios niveles de capacidad de almacenamiento, desde 4 GWh hasta 40 GWh. La Figura 1 muestra la producción eólica y solar y los precios de la electricidad y los patrones de uso del almacenamiento en un día medio de 2019 (paneles superiores) y 2030 (paneles inferiores).

Fijémonos en la producción solar. La Figura 1 muestra que la producción solar se concentra en las horas intermedias del día. Esto implica que la energía solar está positivamente correlacionada con los precios cuando hay pocos parques solares (panel superior izquierdo), alcanzando su punto máximo al mediodía, cuando la demanda de los consumidores es alta. Cuando la producción solar es abundante (panel superior derecho), la correlación entre precios y producción solar se vuelve fuertemente negativa, ya que la generación solar deprime los precios del mercado cuando está disponible. Como resultado de este impacto en los precios, las empresas de almacenamiento pasan de cargar durante la noche (panel inferior izquierdo) a cargar en las horas del mediodía, cuando la generación solar es abundante (panel inferior derecho).

¿Qué implica todo ello para la rentabilidad de las plantas solares y las empresas de almacenamiento en el mercado eléctrico español? En las primeras fases del despliegue renovable (panel izquierdo), la inversión en energía solar apenas afecta a los precios y por tanto, tampoco a los beneficios del almacenamiento. Del mismo modo, la inversión en almacenamiento energético no afecta a los precios. Por lo tanto, la rentabilidad de las inversiones en energía solar y almacenamiento son independientes entre sí, a pesar de la correlación positiva entre los precios y la disponibilidad de las energías renovables.

Entonces, ¿cuándo cabe esperar que esta correlación sea positiva o negativa? Los precios de la electricidad dependen de los patrones de consumo y de la disponibilidad de la energía solar y eólica, que varían según los mercados y en función de la mayor o menor penetración de las energías renovables. Por tanto, el signo de la correlación entre precios y renovables puede variar de una mercado a otro y a lo largo del tiempo.

Figura 1: Producción renovable, precios y almacenamiento

Sin embargo, una fuerte expansión de las inversiones en energía solar tiene dos efectos. Como se ve en los paneles inferiores de la Figura 1, aumentan las diferencias de precios a lo largo del día y ello hace que la correlación entre los precios y la producción solar se torne negativa. Como consecuencia, aumenta la utilización del almacenamiento y sus beneficios se disparan. Del mismo modo, aumentar la capacidad de almacenamiento de 4 GWh a 40 GWh incrementa sustancialmente los precios en las horas centrales del día, cuando las empresas de almacenamiento están demandando electricidad. Como esto coincide con los periodos en los que la generación solar es elevada, sus beneficios aumentan. Además, el almacenamiento permite un uso más eficiente del recurso solar al reducir sus vertidos.

Implicaciones para la política regulatoria

En resumen, desde el punto de vista de los inversores, el que las energías renovables y el almacenamiento se complementen o sustituyan puede variar de un mercado a otro y diferir a lo largo del tiempo. Las políticas de fomento de estas tecnologías deberían evolucionar en consecuencia, prestando particular atención a las características específicas de cada mercado en las distintas fases de la transición energética. Nuestros resultados sugieren que es necesario un gran impulso inicial a la inversión en renovables para activar la complementariedad entre las energías renovables y el almacenamiento. Una vez que se activa la correlación negativa entre la disponibilidad de las energías renovables y los precios del mercado eléctrico, las políticas dirigidas a promover las energías renovables impulsan el almacenamiento, y vice-versa, empujando al mercado hacia la descarbonización en el largo plazo.