La producción de energía eléctrica en México se centra en las plantas termoeléctricas, que cubren aproximadamente el 70% de las necesidades del país. El gobierno federal tiene la meta de alcanzar el 35% de generación mediante fuentes de energía limpias y renovables, para lo cual es necesario diversificar las fuentes de producción. Aquí se aborda el tema de las plantas de acumulación de energía por bombeo, que permiten mejorar la eficiencia del sistema eléctrico mediante el consumo de la energía sobrante en las horas de mínima demanda y generar en las horas de mayor demanda; también mejoran la producción de las plantas intermitentes consumiendo la energía sobrante que producen en horas de baja demanda y cubren los déficits que se presentan en las horas en que la generación es baja o nula debido a los cambios climáticos.
Javier Ramírez Otero Director adjunto de Planeación y Proyectos de Ingeniería, S.C. Consultor en proyectos de ingeniería hidráulica e hidroelectricidad. Miembro emérito del CICM. Académico de número de la Academia de Ingeniería.
El desarrollo de la industria eléctrica en México se inicia a partir del siglo XIX, principalmente mediante la construcción de plantas hidroeléctricas (Batopilas, 1889). Con el crecimiento de la demanda, se inició la instalación de centrales termoeléctricas; se empezó con plantas diésel y de carbón, se construyeron plantas convencionales de vapor que utilizan combustóleo, se siguió con plantas de ciclo combinado que consumen gas y a continuación se iniciaron las plantas geotérmicas y la nuclear. A partir de este siglo empezó a consolidarse la instalación de plantas de energías intermitentes, como las eólicas y solares. Hoy en día, la producción de energía eléctrica se centra fundamentalmente en las plantas termoeléctricas, que cubren aproximadamente el 70% de las necesidades del país. Por otra parte, de acuerdo con la Prospectiva del Sector Eléctrico, se estima que para el año 2030 la capacidad instalada en el país será del orden de 120,000 MW, basada principalmente en el consumo de hidrocarburos; también el gobierno federal tiene la difícil meta de alcanzar el 35% de generación mediante fuentes de energía limpias y renovables, para lo cual es necesario diversificar las fuentes de producción. El tema que se presenta en este artículo es el de las plantas de acumulación de energía por bombeo (PAEB), comúnmente llamadas también plantas de rebombeo, que forman parte del grupo de las energías limpias.
Las PAEB se han estado construyendo principalmente para cubrir las máximas demandas de energía (picos), y hoy en día también algunas se utilizan para respaldar a las plantas intermitentes. En la figura 1 se muestra de manera esquemática lo que es una PAEB.
El funcionamiento de una PAEB se basa en el aprovechamiento de un desnivel topográfico, con un tanque de almacenamiento en la parte superior y otro en la parte inferior; su concepto es muy similar al de una planta hidroeléctrica, pero con la particularidad de que la PAEB puede turbinar de manera reversible, es decir, puede operar como generador de energía y como motor para bombear.
Una PAEB opera diariamente, tanto para generar como para bombear, y debe estar interconectada a la red eléctrica existente.
El almacenamiento, tanto en el vaso superior como en el inferior, no requiere ser de grandes volúmenes –al contrario de lo que en general se necesita en las presas para las plantas hidroeléctricas–, ya que el consumo de agua es mínimo y únicamente deben reponerse las pérdidas por evaporación.
Cómo funciona una PAEB
Para comprender el funcionamiento de una PAEB, en la figura 2 se presenta la curva típica de demanda horaria para el centro del país, donde el eje de las ordenadas representa la potencia de la demanda máxima (en porcentaje) y el eje de las abscisas representa las horas en que se demanda dicha potencia; el área bajo la curva representa la energía consumida durante todo el periodo del día, así como la que se consume en cada intervalo horario.
Ahora bien, a manera de ilustración, en la figura 3 se muestra, con una línea en color rojo, la ordenada media; por debajo de dicha línea, en color amarillo, se observan los “valles”, es decir, las horas de mínima demanda de energía. En la parte superior de la línea roja, en color verde, se hallan los “picos”, que representan 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 se denomina “energía base”, que se ve reflejada en la gráfica con color azul.
En un sistema eléctrico como el de México, 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 requeridas durante el periodo de los “picos” (área verde); también los picos máximos de demanda son proporcionados por las plantas conocidas como de tipo “jet”, que son como turbinas de avión que también consumen gas (área naranja).
El caso de las termoeléctricas
Las plantas termoeléctricas están diseñadas para operar de forma continua y evitar el paro o cese de operación, en virtud de que su arranque resulta costoso y tardado; se requieren varias horas para su arranque y funcionamiento operativo óptimo, particularmente en el caso de las centrales convencionales de combustóleo y carbón; el arranque de las plantas nucleares es mucho más complejo, costoso y tardado; las plantas de ciclo combinado, por su parte, tienen tiempos de arranque menores, pero su diseño está orientado también a proporcionar energía en forma continua durante el periodo de base.
Durante los periodos de mínima demanda, se presentan dos opciones a seguir: reducir la capacidad de operación de algunas de las plantas termoeléctricas, con el costo que esto representa –más aún si se trata de efectuarlo todos los días del año–, o bien, permitir que continúen generando energía eléctrica –y disipándola– durante las horas de los valles.
Ventajas de las PAEB
Las PAEB permitirán mejorar la eficiencia del sistema eléctrico mediante el consumo de la energía sobrante en las horas de mínima demanda, que es cuando su costo es el más bajo, y para generar en las horas de mayor demanda (en los picos), que es cuando su costo es el más alto; se obtiene así un balance económico favorable y rentable.
Estas plantas no solo tienen la ventaja y cualidad de proporcionar la energía de picos y de mejorar la eficiencia de las plantas termoeléctricas; también mejoran la de las plantas intermitentes, como las eólicas y solares, consumiendo la energía sobrante que producen en horas de baja demanda, cuando no hay consumo, además de cubrir los déficits que se presentan en las horas en que la generación es baja o nula debido a los cambios climáticos que se presentan continuamente; el resultado es un balance o equilibrio que compensa las variaciones en la generación de energía. De esta manera se eleva la eficiencia de manera importante, y se contribuye a obtener la rentabilidad en estas modalidades; otro punto a destacar es que las PAEB ayudan a mejorar la frecuencia en las redes de trasmisión eléctrica.
Casos en el mundo
Las plantas de rebombeo se han instalado desde mediados del siglo pasado en 38 países; hoy en día existen más de 200 centrales con una capacidad instalada superior a los 170,000 MW, equivalentes a casi dos veces la capacidad eléctrica total instalada en México, así como plantas en proceso de construcción, principalmente en China, con capacidad de 14,700 MW.
Algunas de las PAEB construidas en diversas partes del mundo son: Dinorwig, en el norte de Gales, con 1,700 MW, y Markersbach, en Alemania, con 1,050 MW; en Estados Unidos, Raccoon Mountain, Tennessee, con 1,600 MW, y Ludington, Michigan, de 1870 MW. En Taiwán, Minghu y Mintan, con una potencia total de 2,610 MW. En Valencia, España, La Muela, que entró en operación en 2013 con una potencia total de 1,722 MW. En Okinawa, Japón, se construyó una planta piloto que aprovecha agua de mar; entró en operación también en 2013 con una potencia de 30 MW.
Cabe mencionar el proyecto Espejo de Tarapacá que se tiene conceptualizado en Chile; aprovechará agua de mar como almacenamiento inferior y concavidades naturales como vaso superior, para instalar cerca de 300 MW aprovechando un desnivel topográfico de 600 m; para el bombeo utilizará la energía del sistema fotovoltaico Cielos de Tarapacá.
Oportunidades para las PAEB en México
En México aún no se ha construido una PAEB, a pesar de que existen sitios y condiciones favorables para su instalación en varias partes del país. Lo anterior se debe al sistema tarifario que actualmente opera, ya que el diferencial que existe en las tarifas entre las horas de pico y las horas de los valles no ha permitido obtener rentabilidad en los proyectos. En Europa, Japón, Estados Unidos y otros países, el diferencial entre pico y valle es muy importante; en algunos, la tarifa en los valles es prácticamente nula, lo que resulta en una rentabilidad importante y en un incremento considerable en la eficiencia de las plantas termoeléctricas.
En nuestro país se han estudiado diversas opciones para instalación de plantas en el centro, el noreste y el norte, con capacidad cercana a los 5,000 MW; sin embargo, el potencial es mucho más grande, y puede ser incrementado considerablemente a medida que se vayan presentando las grandes demandas de energía de picos en el mediano y largo plazo, así como con la entrada en operación de energías intermitentes.
En el noreste se han localizado varios sitios cercanos a la ciudad de Monterrey, uno de ellos a las afueras de la ciudad, en los municipios de Monterrey y General Escobedo, en las faldas del cerro conocido como el Topo Chico, para una planta con eventual capacidad de 200 MW. También se han estudiado diversos sitios en el cañón del río Santa Catarina con caídas que oscilan entre los 100 y los 400 metros.
Se ha estudiado asimismo la posibilidad de instalar una planta de rebombeo cercana a los 300 MW utilizando las aguas que abastecen a la ciudad de Tijuana a través del acueducto Mexicali Tijuana, en las cercanías de la ciudad de Tecate.
Otra zona con gran potencial se ubica en el Sistema Hidroeléctrico Necaxa, donde se podría instalar una planta de 1,200 MW; se han estudiado dos opciones, la primera llamada Anémona (véase figura 4), con una potencia de 498 MW, y la segunda Tenango, con potencia de 680 MW.
Una alianza entre el Sindicato Mexicano de Electricistas y una empresa privada ha estudiado otra opción, también dentro del Sistema Hidroeléctrico Necaxa, que aprovecharía como vaso superior las presas La Laguna y Los Reyes, y como vaso inferior la propia presa Necaxa; tendría una caída aproximada de 700 m y una capacidad por instalarse cercana a los 700 MW. La conducción sería a través de un túnel de aproximadamente 11 km, con casa de máquinas subterránea.
En el noroeste se han estudiado diversos sitios, entre los que destacan El Descanso I y Mesa de Álvarez, Baja California, con una capacidad cercana a los 1,200 MW aprovechando los escurrimientos del arroyo El Descanso, como vaso inferior; se construirían dos vasos superiores, uno en la margen izquierda y otro en la margen derecha, con sendas casas de máquinas, cada una de 600 MW (véase figura 6).
En la misma zona de Baja California se tienen estudios de plantas en las que se aprovecha el agua de mar, con una capacidad de 600 MW.
En la región central del país se ha analizado la zona que comprende el extinto Sistema Hidroeléctrico Miguel Alemán, ubicado en el Estado de México, donde se puede aprovechar parte de la infraestructura que dejó de utilizarse cuando entró en operación el proyecto de abastecimiento de agua del Sistema Cutzamala, específicamente las plantas hidroeléctricas de Ixtapantongo, Santa Bárbara y Tingambato, con un potencial que puede ser superior a los 2,500 MW y que están prácticamente sin operar. En la figura 7 se muestran los posibles aprovechamientos y el potencial.
Conclusiones
Existen numerosos sitios en México donde es posible instalar plantas de rebombeo, aprovechando partes de la infraestructura construida en diversas presas del país que pueden utilizarse como vasos de almacenamiento superior o inferior. Tales son los casos de las presa Las Adjuntas (Vicente Guerrero) en el estado de Tamaulipas; Las Tórtolas (Francisco Zarco) en el estado de Durango; y Zimapán en los estados de Hidalgo y Querétaro, entre otras.
Por último, es de destacarse que las PAEB por lo general no provocan grandes afectaciones sociales y económicas, principalmente porque los almacenamientos son muy pequeños en comparación con las presas que deben construirse en los proyectos hidroeléctricos. Existen excelentes proyectos, como La Parota, Las Cruces y Chicoasén II, que están detenidos por problemas de esa índole, a pesar de los grandes beneficios que podrían generar al país
