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HY4RES ha logrado avances significativos en el desarrollo de sistemas híbridos de energía renovable para comunidades energéticas, agricultura, acuicultura y sectores portuarios en el segundo año del proyecto. Las recientes iniciativas de investigación han explorado formas de optimizar el uso de la energía, integrar soluciones de almacenamiento y apoyar estrategias de cero emisiones netas de carbono en entornos industriales y comunitarios.
Descubra a continuación los avances científicos llevados a cabo con la contribución y supervisión de los expertos del proyecto. Este trabajo de investigación se centró en la optimización energética, la evaluación multicriterio, las estrategias operativas y la modelización aplicada para la gestión energética y la evaluación del rendimiento en diversos sectores.
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El aumento de las necesidades energéticas y el incremento de los costes energéticos han llevado a una creciente adopción de la energía solar en los grandes sistemas de riego, especialmente en el sur de España.
Este estudio comparativo evalúa seis sistemas de riego a gran escala, analizando la integración de la energía solar y su interacción con las prácticas de gestión del agua para uso agrícola.
Los resultados indican que, si bien la proporción de energía solar con respecto al consumo total de energía oscila entre 0,40 y 0,57 en los sistemas con grandes plantas solares de varios MW, la utilización plena de la energía solar sigue estando limitada debido a los programas de riego bajo demanda las 24 horas del día, lo que obliga a depender de la energía convencional durante las horas sin sol.
Localización de los sistemas de riego seleccionados para el estudio. Fuente: Elaboración propia de los autores.
A pesar de la reducción del consumo de energía, en la mayoría de los sistemas los costes energéticos aumentaron significativamente, con incrementos de entre el 15 % y el 302 %, impulsados por las fluctuaciones del mercado mundial. La venta del exceso de energía solar supone un alivio económico potencial, pero las restricciones normativas suelen inhibir esta práctica. Incluso cuando es factible, la rentabilidad se ve comprometida por la dinámica de los precios de la energía.
El estudio destaca la necesidad de soluciones innovadoras, como tecnologías de almacenamiento de energía, como baterías y energía hidroeléctrica bombeada, y ajustes en la programación del sistema para mejorar el uso de la energía solar. Una adopción más amplia de tecnologías como los paneles solares flotantes y certificaciones como ECO20 podría apoyar aún más la soberanía energética y la sostenibilidad. Esta investigación subraya los retos y oportunidades de optimizar la energía solar para el riego, y ofrece información valiosa para los gestores de sistemas y los responsables políticos que navegan por la transición a las energías renovables en la agricultura.
Topología de la red del Sector II del CIZD y puntos de presión excedentaria (EPPs) estudiados. Fuente: Elaboración propia del autor.
La modernización de las redes de riego ha mejorado la eficiencia en el uso del agua, pero ha aumentado la demanda y los costes energéticos en la agricultura. La recuperación de energía (ER) es posible utilizando el exceso de presión para generar electricidad con bombas como turbinas (PAT), lo que ofrece una alternativa rentable a las turbinas tradicionales.
Este estudio evalúa el uso de PAT en redes de riego a presión para recuperar la energía hidráulica desperdiciada, empleando el algoritmo de optimización de enjambres de partículas (PSO) para el dimensionamiento de las PAT basándose en dos funciones de objetivo único.
El análisis se centra en minimizar el periodo de amortización (MPP) y maximizar la recuperación de energía (MER) en puntos de exceso de presión (EPP) específicos. Se realiza un análisis comparativo de los valores de cada EPP y función objetivo de forma independiente en el Sector II del Canal del Zújar Irrigation District (CZID) en Extremadura, España. También se realiza un análisis de sensibilidad sobre los precios de la energía y los costes de instalación para evaluar las tendencias y la volatilidad socioeconómicas, examinando sus efectos en ambas funciones objetivo.
El proceso de optimización predice una ER anual para una temporada de riego media utilizando datos de 2015 que oscilan entre 9.554,86 kWh y 43.992,15 kWh por PAT de la función MER, y períodos de recuperación (PP) de 12,92 años a 3,01 años para la función MPP. El análisis de sensibilidad replicó la optimización para los años 2.022 y 2.023, mostrando un ER anual potencial de hasta 54.963,21 kWh y PP que oscilan entre 0,88 y 5,96 años para el año 2.022.
Este estudio presenta un marco integrado de nexo inteligente entre el agua y la energía que combina la monitorización del agua basada en el IoT, las energías renovables híbridas (hidroeléctrica/solar/eólica) y la optimización impulsada por la IA. Los datos de los sensores en tiempo real permiten la gestión automatizada de la red, mientras que los análisis de IA optimizan las operaciones y predicen las necesidades de mantenimiento a través de un sistema de circuito cerrado.
La solución logra un intercambio de energía bidireccional, con un sistema híbrido completo (G þ H þ PV þ W) que reduce los costes en un 41,5 % (831.000 €) y el LCOE en un 57,2 % (0,0475 €/kWh). El análisis financiero confirma la viabilidad con una TIR del 26,4 % y una amortización en 3,8 años, al tiempo que se consiguen emisiones de CO2 negativas (-160.476 kg/año). La integración progresiva de las energías renovables mejora todos los indicadores clave de rendimiento (KPI), reduciendo los gastos operativos en un 89,9 % (7.156 € al año) gracias a la optimización de las operaciones. Las métricas duales de rendimiento del agua y la energía (fugas, presión, porcentaje de energía renovable) garantizan una gestión equilibrada y sostenible de la red.
Entre las innovaciones clave se incluyen la sinergia entre el IoT y la energía, el mantenimiento predictivo basado en la inteligencia artificial y la eficiencia circular de los recursos. El marco demuestra cómo las redes de agua inteligentes pueden lograr beneficios tanto económicos como medioambientales mediante la integración de energías renovables y soluciones digitales avanzadas.
Resumen gráfico que ilustra el Smart Water-Energy Nexus. Fuente: Elaboración propia de los autores.
Estudio de caso de acuicultura existente, subdividido en los sitios primario y secundario. Fuente: Elaboración propia de los autores.
Se presenta una nueva metodología para la gestión de la energía híbrida en la acuicultura, con el objetivo de mejorar la autosuficiencia y optimizar los flujos de caja relacionados con la red.
La generación de energía eólica y solar se modela utilizando curvas de rendimiento de turbinas calibradas y datos PVGIS, respectivamente, con una capacidad fotovoltaica de 120 kWp. El sistema también incorpora una pequeña central hidroeléctrica de 250 kW y un horno de secado de madera que utiliza el excedente de energía eólica.
Este estudio realiza un análisis comparativo entre HY4RES, un modelo de simulación orientado a la investigación, y HOMER Pro, una herramienta de optimización disponible en el mercado, en múltiples escenarios de energía híbrida en dos instalaciones acuícolas.
En las configuraciones conectadas a la red en la planta principal (caso base, escenarios 1, 2 y 6), ambos modelos muestran una gran concordancia en términos de balance energético y rendimiento general. En el escenario 1, se observa una demanda máxima de energía superior a 1.000 kW en ambos modelos, atribuida a la carga del horno de biomasa. El escenario 2 revela una mejora del 3,1 % en la autosuficiencia con la integración de la generación fotovoltaica, según informa HY4RES. En el escenario 3, fuera de la red, HY4RES suministra 96.634 kWh adicionales de carga anual en comparación con HOMER Pro. Sin embargo, HOMER Pro indica un déficit eléctrico un 3,6 % mayor, debido principalmente a las pérdidas del sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS). El escenario 4 arroja resultados de generación comparables, y HY4RES permite un 6 % más de capacidad de secado de madera gracias a la inclusión de la energía fotovoltaica. El escenario 5, que cuenta con un BESS a gran escala, destaca una demanda no satisfecha del 4,7 % en HY4RES, mientras que HOMER Pro satisface con éxito toda la carga. En el escenario 6, ambos modelos muestran perfiles de carga similares; sin embargo, HY4RES informa de una tasa de autosuficiencia un 1,3 % inferior a la del escenario 1.
En el emplazamiento secundario, los resultados financieros están muy alineados. Por ejemplo, en el caso base, HY4RES proyecta un flujo de caja de 54.154 EUR, mientras que Homer Pro estima 55.532 EUR. El escenario 1 presenta resultados financieros casi idénticos, y el escenario 2 subraya las capacidades superiores de modelización de BESS de HOMER Pro durante los periodos de reducción de la producción hidroeléctrica.
En conclusión, HY4RES demuestra un rendimiento sólido en todos los escenarios. Cuando se le proporcionan parámetros de entrada armonizados, sus resultados de simulación son coherentes con los de HOMER Pro, lo que valida su fiabilidad para la gestión de energía híbrida en aplicaciones acuícolas.
El uso de agua recuperada es fundamental para prevenir la contaminación por vertidos de aguas residuales y mitigar el déficit hídrico al que se enfrentan los distritos de riego u otros usuarios de agua no potable. Por lo tanto, la estrategia de vertido cero representa un reto importante para las ciudades costeras afectadas por la contaminación marina procedente de los efluentes. En regiones como el arco mediterráneo, las zonas agrícolas situadas cerca de estas ciudades están cada vez más expuestas a una reducción de las asignaciones de agua o al aumento de la demanda de riego debido a los efectos del cambio climático.
Para hacer frente a este doble reto, se propone un sistema circular mediante la aplicación de tecnologías de tratamiento híbridas que permiten el vertido cero de aguas residuales al mar. Este enfoque contribuiría con hasta 30 hm³ de agua regenerada al año para el riego, cubriendo aproximadamente 27.000 hectáreas de tierras de cultivo en la provincia de Alicante.
El sistema propuesto integra técnicas avanzadas, como la ósmosis inversa, para garantizar la calidad del agua de riego, al tiempo que tiene en cuenta estrategias de mezcla parcial para optimizar el uso de los recursos. Además, se incorporan humedales artificiales para regular y tratar los flujos de rechazo producidos por estos procesos, minimizando su impacto medioambiental.
Propuesta de metodología para implementar la estrategia de vertido cero: (I) balance hídrico, (II) definición de Agua Mixta, (III) suministro energético del sistema híbrido y (IV) estrategia de vertido cero. Fuente: Elaboración propia de los autores.
Esta estrategia combinada mejora la eficiencia de la reutilización del agua, refuerza la resiliencia agrícola y proporciona un modelo sostenible para la gestión de los recursos hídricos en las regiones costeras del Mediterráneo.
La creciente descentralización de los sistemas energéticos exige marcos sólidos para evaluar la viabilidad técnica y económica de las configuraciones híbridas renovables a escala comunitaria. Este estudio presenta una metodología integrada que combina indicadores clave de rendimiento (KPI), análisis de sensibilidad y toma de decisiones multicriterio para evaluar los sistemas híbridos en Castanheira de Pera, una pequeña comunidad del centro de Portugal.
Se simularon catorce configuraciones (C1-C14) que integraban energía hidroeléctrica, energía solar fotovoltaica, energía eólica y almacenamiento en baterías utilizando HOMER Pro 3.16.2, PVsyst 8.0.16, Python 3.14.0 y Excel en condiciones hidrológicas húmedas y secas. Se aplicó un modelo de almacenamiento hidráulico controlado por compuertas para optimizar el funcionamiento del almacenamiento a corto plazo, lo que aumentó la generación de energía en verano entre un 52 % y un 88 % sin necesidad de infraestructura adicional. De entre todas las configuraciones, la C8 alcanzó el mayor valor actual neto (≈153.700 EUR) y una sólida tasa interna de rentabilidad (TIR), al tiempo que mantuvo un coste nivelado de la electricidad (LCOE) estable de alrededor de 0,042 EUR/kWh.
Diagrama de flujo de la metodología. Fuente: Elaboración propia de los autores.
Los escenarios de decisión comparativos ponen de relieve las distintas prioridades de las partes interesadas: los sistemas de almacenamiento intensivo (C14, C11) maximizan la seguridad energética, mientras que los híbridos de escala media (C8, C7) ofrecen un rendimiento económico superior. En general, los resultados confirman que la hibridación mejora significativamente la autonomía y la resiliencia energética de la comunidad. En el futuro, se debería ampliar este marco para incluir indicadores medioambientales y sociales, lo que permitiría una evaluación tecno-socio-económica más completa de los sistemas híbridos renovables.
Estudio de caso de acuicultura con las interconexiones complejas de fuente/demanda (mostrando las conexiones amarillas y naranjas de forma optimizada). Fuente: Elaboración propia de los autores.
Se diseñó una herramienta de evaluación técnico-económica-medioambiental adaptada a un caso de estudio del sector pesquero. Se analizó el sector pesquero combinando dos componentes renovables (eólica e hidráulica), y se llevaron a cabo análisis de sensibilidad para integrar otras energías renovables en un modelo de optimización desarrollado específicamente (es decir, HY4RES-AHS).
El modelo utilizó un método evolutivo y dio lugar a las siguientes conclusiones: El escenario 2 destaca financieramente, con la TIR más alta (42 %), la amortización más corta (4 años) y la inversión más baja (14.500 euros), aunque adolece de altas pérdidas de energía (27,4 %) debido a una alimentación limitada de la red (120 kW). El escenario 4 es el más sostenible, con la SSR más alta (97,8 %) y la SCR más alta (63,4 %), así como las emisiones de red más bajas (12,83 t CO2 eq.), respaldado por 600 kW de energía fotovoltaica y un fuerte uso de biomasa, pero tiene el VAN más bajo (2.241 euros) y el periodo de amortización más largo (25 años).
El escenario 3 ofrece el mejor equilibrio general, ya que alcanza el mayor VAN (741.293 EUR), una TIR sólida (20 %), bajas pérdidas de energía (2,8 %) y una SSR elevada (94 %). Los escenarios 5 y 7 prohíben la alimentación de la red, lo que da lugar a las mayores pérdidas de energía (46,7 % y 48,4 %) y a una escasa sostenibilidad. El escenario 6 es sólido desde el punto de vista financiero (VAN de 602.280 EUR), pero carece de biomasa y biogás, lo que reduce la resiliencia y la autonomía del sistema.
En resumen, el escenario 2 es rentable, el escenario 4 conduce a la sostenibilidad y el escenario 3 presenta un rendimiento equilibrado.
Esta investigación evalúa los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) y los depósitos de aire comprimido (CAV) como soluciones complementarias para mejorar la resiliencia, la flexibilidad y la sostenibilidad de las microrredes.
Se modelaron unidades BESS de entre 5 y 400 kWh utilizando una red neuronal autorregresiva no lineal con entradas exógenas (NARX), logrando una alta precisión en la predicción del SOC con R² > 0,98 y un MSE tan bajo como 0,13 kWh². Las baterías más grandes (400-800 kWh) redujeron eficazmente las compras de la red y redistribuyeron el excedente de energía, mejorando la eficiencia del sistema. Los CAV se probaron en modo de almacenamiento por bombeo, logrando una eficiencia del 33,9-57,1 % en condiciones de 0,5-2 bar y alta carga, lo que ofrece un almacenamiento de larga duración y baja degradación.
Representación esquemática de un sistema de microrred híbrida que integra múltiples fuentes de energía en CA y CC. Fuente: Elaboración propia de los autores.
El almacenamiento CAV inducido por golpes de ariete demostró una captura de presión fiable cuando el número de Reynolds era ≤ 75.000 y la relación de fracción de volumen (VFR) > 11 %, con un prototipo que alcanzó 6.142 kW y 170 kWh al 50 % del volumen de aire. Los CAV demostraron ser modulares, escalables y resistentes desde el punto de vista medioambiental, adecuados tanto para la gestión de la energía como del agua.
Los sistemas híbridos que combinan BESS y CAV ofrecen ventajas estratégicas para equilibrar la intermitencia de las energías renovables. El aprendizaje automático y la modelización hidráulica permiten un control inteligente y un despacho adaptativo. En conjunto, estas tecnologías permiten crear microrredes preparadas para el futuro y alineadas con los objetivos de sostenibilidad y estabilidad de la red.
Vista aérea con dron del sistema híbrido de energías renovables HY4RES en la finca Las Catalinas, Andalucía, España, destacando el embalse y los paneles solares. Fuente: Proyecto HY4RES.
Esta tesis explora el almacenamiento de energía hidroeléctrica bombeada (PHS) y su integración en soluciones energéticas híbridas (HES). Presenta resultados experimentales y de simulación relativos al rendimiento del proceso de almacenamiento por bombeo.
Se diseñó un nuevo modelo algorítmico, HY4RES, para simular y optimizar soluciones energéticas híbridas mediante la integración de PHS, en Excel-Solver o Python dentro de aplicaciones del nexo agua-energía.
Los métodos de optimización explorados son monoobjetivo y multiobjetivo con variables de decisión flexibles para evaluar soluciones para los sistemas HES. El modelo se implementó para estudios de casos a gran y pequeña escala.
El primero, un sistema de riego, analiza diferentes métodos de optimización para tres escenarios que combinan fuentes renovables y sistemas de almacenamiento. La escala de las necesidades de agua para el riego determinó en gran medida la flexibilidad de los resultados del sistema y su fiabilidad a lo largo de la temporada. La comparación con un análisis paralelo en el software comercial HOMER pone de manifiesto la importancia de diseñar modelos que evalúen las demandas de energía y agua.
El segundo caso de estudio, basado en una pequeña comunidad energética, explora el rendimiento del modelo para una demanda de carga flotante, tanto en escenarios autónomos como conectados a la red. Dado que el perfil de carga es mayor en los meses de invierno, cuando la energía solar es mínima, el escenario conectado a la red con energía eólica es el más atractivo económicamente, con solo un 8,3 % de dependencia de la red, mientras que el escenario autónomo de energía solar, eólica y PHS se erige como una solución fiable y sostenible fuera de la red. El modelo HY4RES demostró su capacidad para el análisis técnico y económico de soluciones híbridas dentro del nexo agua-energía.
Los sistemas híbridos de energía renovable obtienen una mayor autosuficiencia al tiempo que reducen la presión sobre la red. Este proyecto se centra en un caso práctico de acuicultura en Irlanda que forma parte del proyecto HY4RES. El sistema incluye una carga flexible, así como una pequeña central hidroeléctrica y un aerogenerador. Se plantea la cuestión de cómo mejorar el sistema desde el punto de vista económico, pero también en términos de reducción de emisiones.
Para validar el enfoque de simulación del modelo HY4RES, se compara su rendimiento con el de HOMER Pro.
A continuación, se desarrolla HY4RES V2, una herramienta de evaluación técnico-económica basada en Excel y adaptada a este caso de estudio. Con HY4RES V2 se lleva a cabo una optimización de los diferentes emplazamientos, así como un análisis de sensibilidad.
Sitio piloto de acuicultura HY4RES, ubicado en Island Seafoods en Killybegs, Irlanda. Fuente: Proyecto HY4RES.
Los resultados muestran una buena alineación de los dos modelos, HY4RES y HOMER Pro, para escenarios conectados a la red. La optimización de HY4RES V2 del emplazamiento principal con el método evolutivo da como resultado un valor actual neto (VAN) de 957,85 AC y un periodo de amortización de 23,22 años con un sistema fotovoltaico de 8 kWp. El análisis de sensibilidad muestra un fuerte impacto por un aumento del 10 % en el coste de inversión fotovoltaica, lo que da lugar a un VAN negativo de −396 AC. El resto del análisis de sensibilidad da lugar a valores NPV positivos. El emplazamiento secundario y el emplazamiento combinado están bien equilibrados y no permiten ninguna optimización. La optimización de la autosuficiencia al 99 % da lugar a una reducción de las emisiones del 77 % para el emplazamiento combinado, pero también a un NPV negativo de −4 562 928 AC.
Utilizando los escenarios óptimos, en términos de VAN, resulta evidente que el emplazamiento combinado obtiene mejores resultados en cuanto a reducción de emisiones y mayor independencia de la red, mientras que los emplazamientos separados son preferibles desde el punto de vista económico.
Sistema híbrido de energías renovables instalado en el Puerto de Avilés, España, mostrando las turbinas hidrocinéticas y la unidad en contenedor. Fuente: Proyecto HY4RES.
Esta tesis investiga la implementación de un módulo híbrido de energía renovable en el puerto de Avilés, diseñado para satisfacer las necesidades energéticas de determinadas infraestructuras portuarias mediante la integración de fuentes solares, eólicas e hidrocinéticas.
El diseño original del sistema incluye una solución de almacenamiento con bomba-turbina, mientras que se realizaron simulaciones adicionales utilizando almacenamiento en baterías para ampliar el análisis.
Para evaluar el rendimiento en condiciones variables, se desarrolló una herramienta de gestión y optimización energética basada en Excel, que permitió evaluar cuatro escenarios operativos y seis configuraciones.
Se realizaron dos casos de estudio: el primero examinó un único módulo híbrido que gestionaba la demanda total, comparando el almacenamiento con bomba-turbina y el almacenamiento con baterías para identificar la opción más eficaz; el segundo exploró el despliegue de múltiples módulos híbridos que funcionaban en paralelo, a cada uno de los cuales se le asignó un perfil de demanda individual, con una comparación entre estrategias de almacenamiento centralizadas y distribuidas.
Los resultados muestran que, debido a las demandas energéticas relativamente bajas y a la capacidad de generación limitada del sistema, el módulo híbrido único con baterías como solución de almacenamiento era la configuración más viable, ya que alcanzaba una cobertura energética del 89,90 %. Además, el análisis financiero demostró un resultado positivo, con una tasa interna de rendimiento del 10,88 %, lo que confirma la viabilidad del módulo tanto desde el punto de vista técnico como económico. Estos resultados ponen de relieve el potencial de los sistemas híbridos renovables a pequeña escala, respaldados por el almacenamiento en baterías, para contribuir de manera significativa a la descarbonización de las operaciones portuarias y al avance del desarrollo de infraestructuras sostenibles.
Este estudio realiza una evaluación técnico-económica de prefactibilidad de un sistema híbrido de energía renovable en Moinho do Salto, situado en el río Sousa, en Portugal.
Se centra en optimizar la integración de la microhidroeléctrica con tecnologías complementarias de energía solar fotovoltaica, eólica y almacenamiento en baterías para satisfacer la demanda energética en cinco escenarios de consumo diferentes, entre los que se incluyen viviendas residenciales, un restaurante y una iglesia.
Mediante la aplicación de métodos de análisis de datos y evaluación financiera, como el LCOE y el NPV, el proyecto tiene como objetivo identificar las configuraciones de sistema más eficientes y económicamente viables que maximicen la autosuficiencia y minimicen las pérdidas de energía.
Edificio del antiguo molino en Senhora do Salto, Portugal (Moinho do Salto). Fuente: Proyecto HY4RES.
Además de las métricas técnicas y económicas, el estudio también incluye un análisis de las emisiones de CO₂ para evaluar los beneficios medioambientales de cada escenario.
Esta investigación refleja un enfoque multidisciplinar destinado a ofrecer soluciones sostenibles e innovadoras que equilibren el rendimiento técnico, la viabilidad económica y el impacto en la comunidad, proporcionando información valiosa para la implementación descentralizada de energías renovables en entornos rurales.
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