Evaluación de las simulaciones climáticas de CMIP6 sobre el Atlántico nor-oriental y estimación del impacto del cambio climático en los parques eólicos marinos de Europa

Abstract

RESUMEN: Las energías renovables, entre ellas la eólica, son una fuente de energía limpia, inagotables y crecientemente competitivas, lo que las diferencia de los combustibles fósiles, ya que no producen gases de efecto invernadero. Dado que el cambio climático se ha convertido en una de las grandes preocupaciones de la comunidad internacional, estas fuentes de energía se encuentran en crecimiento, como reflejan las estadísticas aportadas anualmente por la Agencia Internacional de la Energía (AIE), previendo un aumento en la participación de las energías renovables en un 18% en el periodo de 2018 a 2040 (aumentando de un 26% a un 44%). Dado que la energía eólica se obtiene de una variable climática, es de especial importancia tener en cuenta el cambio climático, ya que puede afectarla. En este estudio, se analiza el posible impacto que el cambio climático podría tener sobre el recurso energético eólico en un conjunto de 6 parques eólicos marinos en Europa, distribuidos en el Atlántico Norte, desde el Mar del Norte hasta Canarias. Para ello, se han analizado las variaciones climáticas existentes ante unos escenarios de emisión de gases invernadero (SSP1: Sostenibilidad, SSP2: Mitad del camino, SSP3: Rivalidad regional, SSP4: Desigualdad, SSP5: Desarrollo impulsado por combustibles fósiles. Todos ellos tienen un año horizonte, siendo: 2020 para SSP1 y SSP4, 2020-2040 para SSP2 y SSP5 & 2030-2050 para SSP3, además se ha fijado una fecha límite para el cumplimiento de todos ellos, siendo esta el año 2100). La información atmosférica que se ha utilizado es el último producto de reanálisis europeo (ERA5) y las últimas simulaciones climáticas en las que se basan los estudios del IPCC, procedentes del proyecto del World Climate Research Programme (WCRP), en concreto 5 modelos del CMIP6. El análisis climático comienza con una caracterización de los patrones de circulación atmosférica existentes en la región atlántica de Europa. Para ello, se ha desarrollado una caracterización de ‘tipos de tiempo’ de los campos de viento sobre el medio marino, aplicando una metodología no lineal y un algoritmo de clasificación no-jerárquico. Una vez caracterizadas las condiciones durante el clima presente, se ha realizado una evaluación de los modelos climáticos, con el fin de comprobar si los modelos del CMIP6 reproducen correctamente los diversos tipos de clima que se dan en el Atlántico Norte. A su vez, se han calculado una serie de estadísticos (índice de similitud, SI y entropía relativa, RE) para comprobar dicha similitud entre los datos históricos y los modelados. Los resultados de esta evaluación de la calidad de las simulaciones climáticas de trabajo indican diferentes pericias entre los modelos, pero suficiente destreza para incluir los 5 en los posteriores análisis. Posteriormente, se procede al cálculo de los posibles cambios a futuro que indica el conjunto de modelos utilizado. Por un lado, se han obtenido los cambios en las distribuciones espaciales de la velocidad del viento a 10m de altura y la presión a nivel del mar Por otro lado, se han calculado una serie de indicadores climáticos en cada parque en estudio. Estos indicadores se resumen en viento medio, el viento extremal (correspondiente al percentil 99%), la densidad de potencia del viento, el tiempo operacional, el rendimiento energético bruto y el factor de capacidad. Estos indicadores se han estimado considerando la altura del aerogenerador y la tecnología empleada en cada parque. Los resultados indican una clara variación entre los diferentes parques estudiados, de manera que se pueden apreciar aumentos en el rendimiento eléctrico (AEP & CF) de entre 0.31 y 4.93% en los parques de LondonArray, EgmondAanZee y SanCibrao y disminuciones de entre 1.36 y 14.48% en DanTysk, Noirmoutiere y SanBorondón. Cabe destacar que los parques en los que se puede encontrar un mayor aumento o disminución del rendimiento eléctrico, son dos parques en proyecto situados en costas españolas, aumentando la producción en un 3.1% en SanCibrao y disminuyendo en un 14.5% en SanBorondón.

ABSTRACT: Renewable energies, including wind energy, are a clean, inexhaustible and increasingly competitive source of energy, which distinguishes them from fossil fuels as they do not produce greenhouse gases. Given that climate change has become one of the major concerns of the international community, these energy sources are growing, as reflected in the statistics provided annually by the International Energy Agency (IEA), forecasting an increase in the share of renewable energies by 18% in the period from 2018 to 2040 (rising from 26% to 44%). As wind energy is derived from a climate variable, it is particularly important to take climate change into account, as it may affect it. This study analyses the possible impact that climate change could have on the wind energy resource in a set of 6 offshore wind farms in Europe, distributed in the North Atlantic, from the North Sea to the Canary Islands. To this end, the existing climatic variations have been analysed in the face of greenhouse gas emission scenarios (SSP1: Sustainability, SSP2: Middle of the road, SSP3: Regional rivalry, SSP4: Inequality, SSP5: Fossil fuel-driven development). All of them have a horizon year, being: 2020 for SSP1 and SSP4, 2020-2040 for SSP2 and SSP5 & 2030-2050 for SSP3, and a deadline has been set for the fulfilment of all of them, being the year 2100). The atmospheric information used is the latest European reanalysis product (ERA5) and the latest climate simulations on which the IPCC studies are based, from the World Climate Research Programme (WCRP) project, specifically 5 CMIP6 models. The climate analysis begins with a characterisation of the existing atmospheric circulation patterns in the Atlantic region of Europe. For this purpose, a 'weather type' characterisation of the wind fields over the marine environment has been developed, applying a non-linear methodology and a non-hierarchical classification algorithm. Once the conditions during the present climate have been characterised, an evaluation of the climate models has been carried out, in order to check whether the CMIP6 models correctly reproduce the various types of weather occurring in the North Atlantic. In turn, a series of statistics (similarity index, SI and relative entropy, RE) have been calculated to check the similarity between the historical and modelled data. The results of this quality assessment of the working climate simulations indicate different expertise between the models, but sufficient skill to include all 5 in the subsequent analyses. Subsequently, we proceed to the calculation of possible future changes indicated by the set of models used. On the one hand, changes in the spatial distributions of wind speed at 10m height and pressure at sea level have been obtained. On the other hand, a series of climatic indicators have been calculated for each park under study. These indicators are summarised as mean wind, extreme wind (corresponding to the 99% percentile), wind power density, operational time, gross energy yield and capacity factor. These indicators have been estimated considering the height of the wind turbine and the technology used in each wind farm. The results indicate a clear variation between the different wind farms studied, such that increases in electrical performance (AEP & CF) of between 0.31 and 4.93% can be seen in the LondonArray, EgmondAanZee and SanCibrao wind farms and decreases of between 1.36 and 14.48% in DanTysk, Noirmoutiere and SanBorondon. It is worth noting that the wind farms where the greatest increase or decrease in electricity output can be found are two wind farms in the pipeline located on the Spanish coast, with output increasing by 3.1% at SanCibrao and decreasing by 14.5% at SanBorondón.