Javier Ramírez Otero Ingeniero civil. En el sector privado ha sido superintendente y director de empresas de construcción de obras hidráulicas, de líneas de transmisión y plantas hidroeléctricas, entre otras. Es vicepresidente de Planeación y Proyectos de Ingeniería, S.C. Miembro emérito del CICM.
Las plantas de acumulación de energía por bombeo no sólo pueden resolver el problema de intermitencia; también pueden participar para que conjuntamente con las otras modalidades instaladas se puedan cubrir las grandes demandas que se presentan en las horas de los picos, fundamentalmente en potencia.
Es necesario resolver problemas en la confiabilidad y estabilidad en el sistema eléctrico nacional (SEN) por la utilización de las energías intermitentes (eólica y solar). En este artículo se presentan algunas de las soluciones adoptadas en diversos países del mundo –y que pueden ser aplicables en México– con objeto de que se puedan utilizar, racionalmente, las diferentes modalidades de producción de energía eléctrica.
Energías y demanda
Sin duda habrá que impulsar en el país la producción de todas las energías limpias dentro del SEN, particularmente la hidráulica, la geotérmica y la nuclear, además de las intermitentes como la eólica, la solar y la oceánica; sin embargo, antes de comentar sobre las energías intermitentes es conveniente mencionar que en el SEN existen diversas modalidades de generación de energía eléctrica; cada una de ellas tiene su particular participación en potencia y consumo de energía de acuerdo con las demandas.
Para ejemplificar lo anterior, se presenta en la gráfica de la figura 1 la curva típica de demanda diaria para la zona central del país. Se pueden distinguir las horas mínimas de demanda, la demanda media y la que se presenta en las horas pico. En la gráfica se ha calculado la ordenada media, reflejada en la línea de color rojo, donde se observan dos áreas, una por debajo de la línea amarilla y otra en la parte superior, señalada en color verde. El área amarilla identifica las horas “valle”, de mínima demanda de energía, y el área verde, los “picos”, representa las horas de máxima demanda de energía. Es importante señalar que el área que se localiza por debajo de la ordenada media y no corresponde al área de mínima demanda es la energía base, que se ve reflejada en la gráfica con color azul.
En el sistema eléctrico, generalmente las plantas termoeléctricas proporcionan la potencia y la energía requeridas durante el periodo de energía de base (área azul), y las plantas hidroeléctricas, la potencia y energía requerida durante el periodo de picos (área verde). Las plantas termoeléctricas están diseñadas para operar de forma continua evitando el paro o cese de operación, esto en virtud de que su arranque resulta costoso y tardado; en ocasiones se requieren varias horas para su arranque y funcionamiento operativo óptimo, particularmente en las centrales convencionales de combustóleo y carbón. Para el caso de las plantas nucleares, detenerlas y reiniciarlas es mucho más complejo, costoso y tardado. Las plantas de ciclo combinado tienen tiempos de arranque menores; sin embargo, su diseño está dirigido a proporcionar la energía en forma continua durante el periodo de base.
A diferencia de las plantas termoeléctricas, las centrales hidroeléctricas tienen dos enormes ventajas: pueden acumular la energía mediante el almacenamiento de agua en una presa y tienen la posibilidad de iniciar o parar su operación en un lapso de segundos. Lo anterior ha llevado a que el diseño de las plantas hidroeléctricas se haga de tal manera que puedan aprovechar todo su potencial proporcionando la potencia y la energía que se requiere principalmente durante las horas de los picos; adicionalmente, permiten regular la potencia y el suministro de energía requerido en los diferentes periodos horarios en que se presenta la demanda. Por lo anterior, en la planeación del SEN es necesario determinar las diferentes modalidades de generación de energía eléctrica, las cuales deben encuadrar con base en los conceptos señalados entre las termoeléctricas, las hidroeléctricas, las geotérmicas, las nucleares y las nuevas energías intermitentes como son la eólica y la solar, entre otras.
Las energías intermitentes
Ahora bien, por lo que se refiere a las energías intermitentes, como bien sabemos, operan de acuerdo con las condiciones climáticas naturales y el área geográfica. Como consecuencia, la producción a partir de dichos recursos es altamente variable e incierta. Los cambios pueden ser estacionales o diarios, e incluso fluctuar minuto a minuto.
Esta intermitencia provoca la continua entrada y salida de operación de estas fuentes en el SEN, lo que a su vez conduce a que en las líneas de transmisión se presenten variaciones de frecuencia y fluctuaciones de la tensión, además de generar potencia reactiva.
La constante entrada intermitente de energía a las líneas de transmisión también provoca que en ellas se tenga sobrecarga y sobrecalentamiento, lo que conduce a las variaciones de frecuencia y voltaje; por eso resulta muy difícil mantener el equilibrio entre la demanda y la oferta de energía eléctrica con las energías intermitentes. Para esto se debe contar con una regulación primaria, secundaria y terciaria, que garantice mantener la tensión dentro de los niveles permitidos en el sistema.
Ante los problemas antes mencionados, la calidad del suministro eléctrico también se ve afectada. Es por ello que debe existir un sistema de previsión adecuado para las fuentes intermitentes que trate de predecir, a través de pronósticos meteorológicos, los momentos en los que van a generar y si es conveniente ingresarlas en tales momentos al SEN.
Cuando se trata de demandas y generación pequeñas producidas por las plantas intermitentes, seguramente el sistema las puede soportar; sin embargo, tratándose de potencias superiores, unos 2,000 MW, pueden generarse muy serios problemas, y esto podría llevar también a que deban pararse algunas de las plantas en operación para que puedan entrar las intermitentes al SEN, y a su vez, incorporarlas nuevamente al sistema. Detener y arrancar continuamente las centrales conlleva, además del alto costo, las dificultades inherentes en las redes de transmisión y distribución.
Uno de los problemas fundamentales que se presentan en las fuentes intermitentes (eólica y solar) es que no existe reserva de almacenamiento de energía para compensar o respaldar los déficits o superávits de potencia y energía que se presentan durante su operación, aunque existen algunas soluciones para intentar almacenar la energía sobrante en baterías, condensadores, ruedas de inercia y otras cuando se trata de cantidades pequeñas. Pero si se considera que actualmente la capacidad instalada entre la energía solar y eólica es ya de más de 6,000 MW en el país, el tratar de respaldarlas se traduce en un grave problema, con altos costos para el operador del SEN.
Acumulación de energía por bombeo
La solución que se ha propuesto en algunos de los países que cuentan con capacidades importantes de generación eólica y solar ha sido interconectarse a las plantas de acumulación de energía por bombeo (PAEB), lo que les permite resolver y compensar las intermitencias en cuanto a los excedentes y déficits de energía. Las PAEB empezaron a instalarse en el mundo principalmente para cubrir las máximas demandas de energía (picos) aprovechando la sobrante que se da en las plantas termoeléctricas durante las horas de baja demanda (valles), que es cuando la energía es de menor costo, para bombear el agua de un estanque o vaso inferior a otro estanque superior valiéndose de un desnivel topográfico natural, como podrían ser 100, 400 m o más de altura. Del estanque superior al inferior se genera durante las horas de máxima demanda (picos), cuando la energía es más costosa, para proporcionar y completar la potencia y energía necesaria que se demanda (véase figura 2).
Este mismo concepto sería aplicable para las plantas intermitentes, es decir, que cuando generan energía excedente a los requerimientos del sistema eléctrico se envía a la PAEB para efectuar el bombeo, y a su vez, cuando se presentan déficits, se genera de esta forma. Adicionalmente es posible, de acuerdo con las condiciones y necesidades en el sistema, que cuando se genere se haga durante las horas de máxima demanda, lo cual permitiría, a la par de resolver el problema de la intermitencia, obtener un beneficio económico extra.
En el mundo existen más de 160 centrales de rebombeo y tienen una capacidad conjunta de aproximadamente 190,000 MW, lo que equivale a más de tres veces la capacidad total instalada por la Comisión Federal de Electricidad (CFE) en el país.
En México se han estudiado diversos proyectos de PAEB en el noreste, cercanos a la ciudad de Monterrey; en el noroeste, cerca de las ciudades de Tijuana y Tecate, y en la zona central, en el estado de Puebla, donde se han explorado diversos sitios en la región de Necaxa; también en el Estado de México, en la región donde se localizaba el Sistema Hidroeléctrico Miguel Alemán y se puede aprovechar gran parte de la infraestructura existente que ya no se utiliza. La capacidad que se podría instalar en todas estas plantas sería superior a los 3,500 megawatts.
Parte de la solución para la construcción de las PAEB sería incentivar al sector privado para apoyar el financiamiento, o bien mediante una asociación público-privada entre la CFE y diversas empresas operadoras de energías intermitentes.
Es indudable que debe continuarse con las energías limpias, incluso con las intermitentes solar y eólica, siempre y cuando no afecten la operación del SEN. Como se ha señalado, pueden combinarse con una PAEB, considerada energía limpia también, para solucionar las intermitencias.
Por otra parte, deberá seguirse cumpliendo el tratado internacional en el que México está incluido para que la generación de energía eléctrica limpia para el año 2024 sea del 35 por ciento.
Actualmente, la producción de energía limpia (hidráulica, geotérmica y nuclear, y las intermitentes como la eólica, solar y oceánica) es de aproximadamente el 23.2%, ya que la mayoría de las centrales existentes son termoeléctricas, entre las que sobresalen las centrales de ciclo combinado que consumen gas, así como aquellas que consumen combustóleo. Ninguna de estas modalidades se consideran energías limpias, y sin embargo ambas no pueden ser sustituidas por las plantas intermitentes solares y eólicas, por sus propias características de intermitencia.
En Estados Unidos, Australia, Polonia, Alemania, India, China, Rusia y otros países, gran parte de la producción de energía se da mediante la utilización del carbón, y son éstas las centrales más contaminantes del medio ambiente. Varias son las razones por las que lo utilizan, pero destacan dos: a) cuentan con abundantes recursos naturales propios, y esto les evita tener que importar otros combustibles como el gas y b) generan desarrollo económico en las zonas de extracción.
En el caso de México, el recurso en abundancia es el combustóleo, y las mismas razones se aplican para su utilización.
Por otra parte, si se examina la aportación de México a la contaminación ambiental del planeta, ésta representa sólo el 1.4%, considerando la generación de energía eléctrica, la industria en general y el transporte. De ese 1.4%, la energía eléctrica representa el 19%, es decir, el 0.27% en el ámbito mundial.
Conclusión
La participación de las energías intermitentes (eólica y solar) debe limitarse a un orden que se establezca en la planeación del sector eléctrico, mientras éstas no ocasionen interrupciones en el sistema y excesivos cambios de frecuencia que obstaculicen la confiabilidad del SEN.
Las PAEB deberán considerarse como una de las posibles soluciones, con la participación del sector privado para su financiamiento. La construcción de estas instalaciones sin duda ayudaría a una solución permanente de las intermitencias que presentan las energías solar y eólica.
Las PAEB no sólo pueden resolver el problema de intermitencia; también pueden participar para que conjuntamente con las otras modalidades instaladas se puedan cubrir las grandes demandas que se presentan en las horas de los picos, fundamentalmente en potencia, y esto hará posible también que los operadores de generación de energía intermitente obtengan beneficios económicos importantes, ya que es cuando el costo tanto del megawatt como del kilowatt hora es mayor
Bibliografía
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Villafáfila Robles, R. (2009). Integración de la generación eólica en las redes eléctricas de potencia. Seminario web Acciones para el desarrollo de la energía eólica en Latinoamérica.
Las energías intermitentes operan de acuerdo con las condiciones climáticas naturales y el área geográfica. Como consecuencia, la producción a partir de dichos recursos es altamente variable e incierta. Esta intermitencia provoca la continua entrada y salida de operación de estas fuentes en el SEN, lo que a su vez conduce a que en las líneas de transmisión se presenten variaciones de frecuencia y fluctuaciones de la tensión, además de generar potencia reactiva.
Actualmente, la producción de energía limpia (hidráulica, geotérmica y nuclear, y las intermitentes como la eólica, solar y oceánica) es de aproximadamente el 23.2%, ya que la mayoría de las centrales existentes son termoeléctricas, entre las cuales sobresalen las centrales de ciclo combinado que consumen gas, así como aquellas que consumen combustóleo. Ninguna de estas modalidades se considera energía limpia, y sin embargo ambas no pueden ser sustituidas por las plantas intermitentes solares y eólicas, por sus propias características de intermitencia.
