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Soluciones para la integracin de fuentes renovables

POWER SUPPLY CHALLENGESDESAFOS DEL SUMINISTRO ELCTRICO

Un libro oportuno para demostrar cmo se pueden equilibrar elsuministro y la demanda de energa en condiciones muy complejas, como la integracin de fuentes renovables, la variacin de la tempera-tura y la incertidumbre de la demanda.

Chongqing KangProfesorDepartamento de Ingeniera ElctricaUniversidad de TsinghuaChina

El autor ofrece una descripcin perfecta del carcter cambiante de la generacin de energa elctrica a la vez que respeta los aspectos bsicos y los principios de funcionamiento de las redes integradas.

Th omas KeyEjecutivo tcnico sniorElectric Power Research Institute (EPRI)EE.UU.


Soluciones para la integracin de fuentes renovables


Jacob KlimstraSoluciones para la integracin de fuentes renovables

ndice de materias:Prlogo ................................................................................................................................................. .8Nota para el lector ............................................................................................................................. .9

1 Cmo garantizar elsuministro de electricidad en un mundo cambiante .............. 111.1. Un suministro de electricidad asequible, fi able y sostenible ......................................121.2. Desafos de las fuentes de energa renovables ..............................................................181.3. Fallos y averas en los sistemas de suministro deelectricidad ...................................211.4. Equilibrio del suministro y la demanda enlosmercados de energa .........................221.5. Conclusiones .........................................................................................................................26

2 Equilibrado del suministro de electricidad en caso de catstrofe .......................... 292.1. Coherencia entre el suministro y la demanda de electricidad ...................................302.2. Reservas de control primarias para compensar el fallo de una central elctrica ...........312.3. Reservas de control secundarias y terciarias ..................................................................472.4. Conclusiones .........................................................................................................................49

3 Equilibrado de la demanda y el suministro de energa cuando las condiciones cambian ............................................................................................. 513.1. Diferencias en el suministro de electricidad segn lassituaciones locales ............523.2. Patrn de demanda de energa en Finlandia como ejemplo

de nacin industrializada ...................................................................................................523.3. Demanda de energa en la Repblica de Irlanda como ejemplo de un sistema

con un suministro de electricidad basado en gran medida en la energa elica........... .563.4. El operador de sistemas de transmisin de Alemania 50Hertz,

una regin con un gran volumen deenerga de origen solar ....................................673.5. Efectos de las instalaciones fotovoltaicas en

otras centrales elctricas de Texas y California .............................................................723.6. Conclusiones .........................................................................................................................75

4 Potencia activa y reactiva ............................................................................................ 774.1. Analogas de potencia reactiva ..........................................................................................784.2. Los tres elementos bsicos de carga en sistemas decorriente alterna .....................784.3. El factor de potencia cos (phi) .........................................................................................844.4. Impedancia de las redes de transporte de electricidad ...............................................864.5. Cambio de tensin en una lnea de transmisin de energa ......................................894.6. Riesgos derivados de que las fuentes de energa renovables

no suministren sufi ciente potencia reactiva ...................................................................934.7. Conclusiones .........................................................................................................................95

Jacob Klimstra y Wrtsil Finland OyTrabajo editorial: Jussi LaitinenDiseo grfi co: Jiipee MattilaImprenta: Arkmedia, Vaasa 2015

Editor: Wrtsil Finland OyTraduccin de la segunda edicinISBN 978-952-93-5658-4ISBN 978-952-93-5659-1 (PDF)

5 Almacenamiento de energa ....................................................................................... 975.1. El enorme desafo del almacenamiento de energa ......................................................985.2. Propiedades bsicas de los dispositivos dealmacenamiento de energa ............. .1005.3. Aplicaciones de los dispositivos de almacenamiento de energa ......................... .1025.4. Mtodos y costes del almacenamiento de energa .................................................. .1045.5. Discusin sobre el almacenamiento de energa ........................................................ .1175.6. Conclusiones ..................................................................................................................... .119

6 Costes de produccin de la electricidad ................................................................. 1216.1. Desafos al determinar los costes de los kWh ........................................................... .1226.2. Condiciones cambiantes para la generacin de energa ........................................ .1226.3. Anlisis de costes para diferentes tcnicas degeneracin ...................................... .1246.4. Los costes totales de la produccin de electricidad ................................................. .1346.5. El precio de la electricidad para los clientes ............................................................. .1396.6. Discusin sobre los costes de la produccin de la electricidad ........................... .1406.7. Conclusiones ..................................................................................................................... .141

7 Sistemas de suministro elctrico del futuro............................................................ 1437.1. El camino hacia un sistema de suministro de energa ptimo .............................. .1447.2. Una cartera de generacin optimizada sinfuentes renovables .............................. .1457.3. Un diseo de cartera de central elctrica optimizada

con fuentes de energa renovables ............................................................................... .1497.4. Discusin relativa a la cartera de centrales elctricas ptima sugerida ............... .1577.5. Una cartera de generacin de electricidad

ptima para las economas emergentes ...................................................................... .1597.6. Conclusiones ..................................................................................................................... .160

8 Desafos del suministro elctrico: unanlisis ........................................................ 1638.1. Necesidad de realismo en el debate sobre energa ................................................... .1648.2. Los bajos factores de capacidad amplan

losproblemas relacionados con el equilibrio ........................................................... .1668.3. Los generadores locales fl exibles ofrecen una excelente

capacidad de reserva para las fuentes renovables ..................................................... .1678.4. El gas natural es ideal para ofrecer capacidad de reserva ...................................... .1678.5. La integracin de las demandas de energa

y calor ofrece una buena perspectiva ............................................................................ .1688.6. Las centrales elctricas giles y fl exibles ayudan

agarantizar un suministro elctrico efi caz y rentable .............................................. .1698.7. Perspectiva para el futuro .............................................................................................. .170

Apndice 1 ................................................................................................................................ .172Apndice 2 ................................................................................................................................ .176Bibliografa ................................................................................................................................ .182Referencias ................................................................................................................................ .183Glosario ...................................................................................................................................... .185

Prlogo

Hans ten BergeSecretario general de Eurelectric

Los mercados de electricidad europeos estn cambiando. Tradicionalmente, los mercados de electricidad estaban basados en la capacidad de generacin con unos costes fi jos relativamente bajos y unos costes en combustibles (fsiles) altamente variables. Sin embargo, la relacin entre costes fi jos y variables est cambiando a causa de la creciente entrada en el mercado de la generacin mediante fuentes renovables que utilizan el sol y el viento con unos costes variables casi nulos.

A pesar de los avances tecnolgicos y las mejoras en la efi cacia, incluso la capacidad de generacin mediante combustibles fsiles de vanguardia ms moderna est experimentando cada vez ms difi cultades para competir en un mercado donde la capacidad subvencionada puede generar energa sin costes variables. A pesar de todo, se necesitar una capacidad slida para respaldar la generacin variable. En este contexto, muchos argumentan que el entorno del mercado actual ya no es adecuado.

La aparicin de la capacidad de generacin intermitente baja en carbono constituye un paso positivo hacia sistemas de electricidad con una menor emisin de carbono. No obstante, el cambio en las carteras de generacin presenta una serie de desafos para los mercados. Cmo podemos asegurarnos de que haya sufi ciente capacidad disponible si el viento no sopla y el sol no brilla? En la actualidad, los planes de subvenciones eliminan la capacidad variable de las fuentes renovables de las seales de precios del mercado. Esto no puede ni debe ser una opcin a largo plazo para ningn tipo de generacin de electricidad.

No se trata de un debate acadmico. El sector de la electricidad en Europa ya est sintiendo los efectos de los cambios recientes sobre el terreno. Por ejemplo, las empresas se ven obligadas a retirar las centrales de gas construidas recientemente o a detener los proyectos de inversin. Las desfavorables condiciones del mercado tambin hacen que los inversores externos no estn predispuestos a invertir en el sector de la electricidad. Mientras tanto, los costes de apoyo a las polticas, por ejemplo, en los casos de las fuentes renovables o la efi ciencia energtica, estn incrementando el precio que los usuarios fi nales tienen que pagar por la electricidad.

En resumen, los desafos son importantes y las soluciones todava no estn claras. Es necesario observar desde una nueva perspectiva el diseo del mercado y de un sistema energtico ms inteligente. Este libro realiza una aportacin a dicho debate, prestando especial atencin a los efectos de los generadores. Mediante la descripcin y el anlisis del entorno actual y la forma en que se pueden abordar algunos de los desafos, se tratan algunos de los principales problemas del sector de la electricidad en Europa (y en todo el mundo) en la actualidad.

Nota para el lector

Jacob Klimstra

Muchos de los lectores de este libro deben tomar importantes decisiones acerca del suministro de energa elctrica en diferentes regiones. La electricidad es esencial para la generacin de riqueza y comodidad en las sociedades modernas. Con la creciente demanda de energa elctrica, su generacin tiene un inmenso impacto en el consumo de combustible mundial y las emisiones relacionadas. Se espera que esta demanda se duplique en unos veinte aos.

Durante los ltimos cien aos, los cientfi cos y los ingenieros han adquirido un profundo conocimiento sobre el sistema de suministro de energa. Las centrales elctricas modernas consiguen una alta efi ciencia de combustible y han reducido drsticamente sus emisiones. Con unas redes de transporte y distribucin excelentes, se garantiza un alto nivel de fi abilidad en el suministro de energa a los consumidores. Sin embargo, es necesario adoptar medidas para que el suministro de electricidad sea ms sostenible. En ltima instancia, los combustibles fsiles son limitados y no se debe desatender el problema del calentamiento global derivado de los gases de efecto invernadero. Por lo tanto, el sector energtico tiene que ajustarse en consecuencia y encontrar nuevos caminos. Las decisiones tomadas en el presente tendrn un efecto a largo plazo, por lo que es necesario elegir soluciones ptimas.

El objetivo de este libro es explicar los desafos derivados de la aparicin de un gran nmero de fuentes de energa renovables intermitentes. Asimismo, se ofrecen diferentes soluciones innovadoras para mantener unos sistemas de suministro de energa fi ables y asequibles. En el libro tambin se explican los efectos de las energas renovables sobre el coste de la electricidad en trminos de kilovatio-hora. Mantener unos costes reducidos es muy importante, ya que la energa est inextricablemente relacionada con la economa (cualquier aumento en el precio de la electricidad tiene un efecto importante sobre el coste de los productos y los servicios).

Los sistemas energticos no estn basados en impresiones u opiniones, sino en hechos cientfi cos ytcnicos. Por lo tanto, en este libro se tratan algunos conceptos matemticos y fsicos. No obstante, loslectores sin conocimientos tcnicos tambin podrn comprender los problemas presentados.

La redaccin de este libro llev mucho ms esfuerzo del que esperaba. La existencia de grandes niveles de fuentes de energa intermitentes en un sistema infl uye en las necesidades de reservas de contingencia, en el equilibrio de la produccin y la demanda de electricidad, enel suministro de potencia reactiva y en los costes. Por ello, fue necesario buscar datos reales sobre la produccin de paneles solares y turbinas elicas, unidos a patrones de demanda de energa reales. Afortunadamente, la mayora de los gestores de redes de transporte europeos yestadounidenses ofrecen la informacin necesaria por Internet, aunque a menudo es necesario realizar innumerables clculos para transformar estos datos en un formato prctico. Asimismo, la Agencia Internacional de la Energa ofrece informacin til. No obstante, en este libro no pretendemos abarcar todos los aspectos de los problemas tratados. Esperamos que ayude allector a comprender mejor eltema y a conseguir las soluciones ms adecuadas.

Estoy en deuda con Wrtsil por ofrecerme la posibilidad de escribir este libro. Agradezco mucho el apoyo continuado de un gran nmero de compaeros durante su preparacin. En orden alfabtico, me gustara mencionar en especial a Christian Hultholm, Jaime Lpez, Jiipee Matt ila, Jussi Laitinen, Krt Aavik, Kenneth Engblom, Kimi Arima, Mats stman, Niklas Wgar y Svante Bethlehem. Estoy especialmente agradecido a mi mujer, Anna Martha, que me ha permitido dedicar tanto tiempo a escribir este libro.

11 Cmo garantizar elsuministro de electricidad en un mundo cambianteLa economa est construida en gran medida sobre un suministro fi able de electricidad barata. El desafo es poder mantener un sistema de suministro estable y asequible con la rpida expansin de las fuentes de energa renovables intermitentes. No basta con crear el nuevo sistema sobre la base del antiguo. Para poder llevar a cabo la integracin correctamente y garantizar la prosperidad en el futuro, se requieren nuevas condiciones de mercado y soluciones tcnicas innovadoras. El sector energtico se ve obligado a evolucionar. El estado actual yano es viable.

12 Desafos del suministro elctrico

1.1. Un suministro de electricidad asequible, fiable y sostenible

La electricidad nos rodea. Sin electricidad, las comunicaciones, los servicios y las actividades industriales se detendran. Los hogares tienen muchos problemas cuando se interrumpe el suministro de energa. Gracias a la electricidad, la vida en las regiones calurosas es soportable. Los productos agrcolas pueden tratarse yalmacenarse durante largos perodos de tiempo gracias a la refrigeracin elctrica. En el futuro prximo, losvehculos elctricos sern frecuentes en las carreteras. Dentro de poco tiempo, laelectricidad ser elprincipal portador de energa para los consumidores de energa.

La produccin de electricidad todava depende principalmente de los combustibles fsiles. A causa de las emisiones que estos combustibles producen durante la combustin, tanto los legisladores como la sociedad en general estn exigiendo la aparicin de ms fuentes de energa renovables. No obstante, la aparicin de energas renovables basadas en la radiacin solar y el viento, por ejemplo, est presentando una serie de desafos a la hora de mantener el delicado equilibrio entre la produccin y la demanda de electricidad. Las centrales elctricas ocupadas con las tareas de equilibrado deben adaptar su produccin a ms velocidad y con ms frecuencia que antes. Los errores a la hora de prever la produccin de electricidad a partir de fuentes de energa renovables se suman a los errores de prediccin de la demanda. Por lo tanto, se necesita una mayor capacidad de reserva, con mayor capacidad de respuesta que en el pasado. Las centrales elctricas de vapor tradicionales no cuentan con esta fl exibilidad. No obstante, existen diferentes tcnicas de generacin giles que permiten dar cabida a grandes cantidades de fuentes de electricidad renovables y, al hacerlo, ayudan a reducir el uso de combustibles fsiles.

Segn los medios de comunicacin, el almacenamiento de energa, las redes inteligentes, las grandes lneas de transmisin de electricidad transcontinentales y la gestin de la demanda pueden solucionar los problemas derivados de la intermitencia de las fuentes de electricidad renovables. Debemos evaluar estas noticias con sumo cuidado.

Sera conveniente contar con sistemas de almacenamiento asequibles que desempeen un papel clave a la hora de equilibrar el suministro y la demanda de electricidad. En la prctica, todava no es posible almacenar la energa elctrica directamente en forma de electricidad. La energa debe almacenarse qumicamente (por ejemplo, en el combustible y en las bateras) o mecnicamente (por ejemplo, en volantes de inercia, aire comprimido y depsitos de agua elevados). El calor procedente de los sistemas de energa solar concentrada puede almacenarse temporalmente en sales fundidas para generar vapor posteriormente. El desafo consiste en encontrar sistemas de almacenamiento econmicos con las propiedades adecuadas para poder equilibrar la generacin y la demanda de electricidad. Las propiedades de almacenamiento necesarias dependen del tipo de equilibrio en cuestin. Los volantes de inercia pueden ayudar a regular frecuencias a corto plazo en intervalos de unos segundos; mientras que las bateras pueden ayudar a hacer frente a desequilibrios de hasta una hora y la energa hidroelctrica de bombeo puede encargarse del suavizado en intervalos de 24 horas. No obstante, todava no existe ningn sistema de almacenamiento capaz de sustituir el uso de combustibles como el gas natural y el carbn para hacer frente, por ejemplo, a las carencias estacionales en la produccin de energa a partir de fuentes renovables, como las que tienen lugar con la produccin de energa solar fotovoltaica durante las estaciones ms oscuras.

40 000

35 000

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00 2000 4000 6000 8000 10 000 12 000 14 000

fricaAsia (excepto China)

Oriente MedioLatinoamricaChina

Europa

Norteamrica

Media mundial

Consumo de electricidad per cpita por ao (kWh)

Producto interior bruto (PIB) per cpita por ao en 2009 (USD ao 2000)

1. Cmo garantizar el suministro de electricidad en un mundo cambiante 13

En las reas continentales de gran extensin pueden darse vientos de alta velocidad, por lo que el suavizado de la produccin de las turbinas elicas mediante largas lneas de transmisin no es una opcin efi caz. El uso de electricidad excedentaria durante los perodos de mxima produccin de paneles solares y turbinas elicas para calentar y refrigerar agua es una opcin ms adecuada. Aparentemente, los electrodomsticos y los contadores inteligentes de uso domstico ofrecen unas posibilidades muy limitadas para equilibrar el suministro de electricidad con la demanda.

El uso de la energa elctrica est directamente relacionado con el valor econmico, como se puede observar en la fi gura 1.1. En oposicin a la creencia popular, el uso domstico de la electricidad en los hogares representa, en promedio global, menos de la cuarta parte del uso de electricidad total. Los usuarios industriales y comerciales consumen la inmensa parte restante para generar valor econmico. Por lo tanto, la electricidad es principalmente un generador de valor.

Se puede extraer una serie conclusiones de la relacin existente entre el producto interior bruto y el uso de la electricidad, como se puede ver en la fi gura 1.1. Dicho de otro modo, si el suministro de energa en frica se quintuplicase, la economa tambin podra presentar un crecimiento cinco veces mayor y gran parte de la pobreza desaparecera. Asimismo, si Norteamrica redujese la intensidad de la electricidad utilizada en su economa al nivel europeo, el consumo de electricidad se reducira aproximadamente en un 20 % sin que su riqueza se viera afectada. Se espera que el uso de electrodomsticos ms efi caces, un aislamiento ms adecuado de los edifi cios y una introduccin a gran escala de iluminacin LED contribuyan a la reduccin del consumo de electricidad en los EE. UU. En cambio, en Europa, la sustitucin de sistemas de calefaccin de gas con

Figura 1.1. Existe una relacin directa entre la cantidad de energa elctrica utilizada (kWh) y los niveles de riqueza, tal y como se expresa en el producto interior bruto segn la paridad del poder adquisitivo (PPA).

120

100

80

60

40

20

0Coste Precio Valor

Cnt

imos

de

euro

por

kW

h

Cnt

imos

de

euro

por

kW

h

Coste, precio y valor de la electricidad para un hogar

12

10

8

6

4

2

0Coste Precio Valor

Coste, precio y valor de la electricidad para una fundicin

de aluminio


bombas de calor elctricas y laaparicin de vehculos elctricos puede provocar un aumento en el uso de la electricidad. China parece seguir de cerca la lnea de tendencia mundial entre el uso de la electricidad y el PIB. Oriente Medio es un caso claramente atpico: los combustibles baratos, los climas clidos y una produccin industrial relativamente baja pueden derivar en la creacin de un PIB inferior por unidad de energa elctrica. No obstante, aunque las condiciones lmite econmicas difi eren entre pases, el uso de electricidad yelbienestar econmico estn estrechamente relacionados.

A pesar de su excelente valor para la sociedad, la elec-tricidad debe ser asequible. Si los precios de la electricidad son altos, las industrias que consumen una gran cantidad de energa pueden decidir desplazarse a pases con unos precios ms bajos. La distincin entre el coste, el precio y el valor de un bien econmico, como la energa elctrica, ayuda a com-prender mejor los mecanismos que hacen que los precios sean asequibles.

Los costes bsicos de la electricidad incluyen el coste de la inversin de capital de la unidad de generacin, elcoste de las instalaciones de transporte y distribucin de electricidad, el coste del combustible y los costes de explotacin y mantenimiento. El precio que pagan los clientes por la energa elctrica suele contener al menos estos costes bsicos, junto con los mrgenes de benefi cios y los impuestos gubernamentales. Lgicamente, el valor econmico fi nal para el cliente por kilovatio-hora suministrado debe ser mayor que el precio pagado por el cliente.

Los consumidores domsticos suelen pagar ms por kWh que los usuarios industriales. Esto se debe en parte a los mayores costes de distribucin y venta, pero tambin a que los mrgenes de benefi cios y las recaudaciones fi scales suelen ser ms altos en el caso de clientes privados. En el caso de las fundiciones de aluminio, el valor, el precio y el coste de la electricidad son bastante parecidos, ya que los costes de

Figura 1.2. Ejemplo de situacin donde la electricidad aumenta de forma sustancial la productividad.

Figura 1.3. Comparacin del coste, el precio y el valor de la electricidad.

Factor de aumento de productividad conelectricidad: 40.

50vatios

2000vatios


la energa determinan en gran medida los costes de los productos fi nales. Para los cientfi cos, los banqueros o los miembros de familias que utilicen un ordenador de sobremesa, el coste, el precio y, especialmente, el valor de la electricidad pueden ser factores diferentes. Los ordenadores aumentan la productividad tanto que el precio de la electricidad necesaria para su funcionamiento es casi irrelevante para el usuario. En los hogares, una aspiradora de 2 kW tiene la misma potencia que 40 personas utilizando escobas y recogedores. La electricidad consumida en una hora de limpieza con aspiradora puede tener un coste de 0,50 , pero contratar a40personas para que limpien puede costar 500 en las economas ms prsperas.

Los costes sociales de la electricidad pueden hacer que los costes reales sean ms altos que la suma de los costes de capital, combustible y explotacin ms el mantenimiento. Estos costes sociales incluyen, entre otros, el valor de los daos medioambientales provocados resultantes de la contaminacin derivada de la produccin de combustible y de las emisiones. Tambin hay que incluir las subvenciones para los trabajos de minera en los costes sociales. Los polticos pueden solicitar la creacin de un gran nmero de puestos de trabajo relacionados con la introduccin de energas renovables, pero dichos puestos pueden entenderse, al menos en parte, como costes sociales siempre que las subvenciones dominen el mercado de las fuentes renovables. En ltima instancia, el valor econmico integral de un producto como la electricidad debe superar como mnimo todos los costes de

Figura 1.4. Los entornos contaminados y densamente poblados surgieron en las nuevas ciudades industriales durante la Revolucin Industrial (17601840).

1

0,5

0

-0,5

-10 10 20 30

Onda sinusoidal distorsionada con 3 y 5 armnicos

Tiempo (ms)

Tens

in

rela

tiva

1

0,5

0

-0,5

-10 10 20 30

Onda sinusoidal pura

Tiempo (ms)

Tens

in

rela

tiva


elaboracin de dicho producto. Si el coste de la electricidad supera su valor, el uso de la electricidad ser un lujo y una carga para la economa (sin crear riqueza).

No obstante, la aceptabilidad del rechazo de los costes sociales depende en gran medida del nivel de riqueza real de un pas concreto. Cuando las personas pasan hambre, se necesitan urgentemente productos como comida y agua y, en estos casos, se dan por sentado algunos daos medioambientales relacionados. La revolucin industrial de los siglos XVIII y XIX tuvo efectos destructivos en el medio ambiente, pero el crecimiento resultante en el nivel de prosperidad gener en ltima instancia dinero para llevar a cabo reparaciones y mejoras. Por tanto, si los costes asociados son altos, no es justo aplicar en todo el mundo los mismos estndares medioambientes en relacin con la produccin de electricidad, con independencia de si se trata de economas emergentes o de las zonas ms prsperas del mundo.

Aunque muchas personas utilizan el trmino potencia como sinnimo de energa elctrica, en este libro se distingue entre potencia y energa. No es cientfi camente correcto afi rmar que una mquina o una central elctrica pueden producir potencia, yaque este trmino hace referencia a la capacidad de generar energa. Los coches pueden tener motores con una capacidad de potencia mxima de 125 kW (kilovatios), pero, si el motor no est en funcionamiento, no se enva energa a las ruedas. Al conducir el coche durante una hora a mxima potencia, el motor genera una cantidad de energa igual a 125 kW en una hora = 125 kWh (kilovatios-hora). Una central elctrica de 360 MW (megavatios) en funcionamiento constante y a pleno rendimiento durante 4380 horas (loque equivale a medio ao) produce 360 4380 = 1576800MWh (megavatios-hora) o casi 1,6TWh (teravatios-hora) de energa elctrica.

Evidentemente, contar con un suministro elctrico de calidad altamente fi able es importante para los consumidores de energa, que, por lo general, exigen que la energa elctrica est disponible siempre que la necesiten. Como mnimo, la incapacidad para suministrar electricidad es una molestia y tambin suele traducirse en prdidas fi nancieras. Los usuarios de entornos comerciales e industriales esperan una fi abilidad del sistema de suministro de energa de al menos el 99,99 %, lo que signifi ca que el suministro solo puede fallar una media de 53 minutos al ao. En el caso de las aplicaciones en las que la disponibilidad de electricidad constante es esencial, lossistemas de alimentacin ininterrumpida y los generadores de reserva son prcticas comunes. En algunos casos, como los centros de datos y los quirfanos hospitalarios, se requiere una fi abilidad de suministro superior al 99,999%.

Figura 1.5. Una onda sinusoidal de 50Hz pura y una onda sinusoidal distorsionada con armnicos.

30

25

20

15

10

5

01980 1990 2000 2010

Ao

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(ppb

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NOX

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Un suministro de electricidad fi able tambin requiere el mantenimiento de la tensin y la frecuencia dentro de unos mrgenes estrechos. Asimismo, la tensin ofrecida debe ser limpia y no estar excesivamente reemplazada por distorsiones armnicas o aleatorias, es decir, variaciones de tensin con una frecuencia diferente a la frecuencia bsica de 50 o 60Hz. Los productos electrnicos de control y los sistemas de iluminacin, como LED, provocan distorsiones. Si el valor y la forma de la tensin se desvan demasiado de los estndares, el rendimiento de los equipos de los usuarios se vera afectado negativamente e, incluso, el equipo podra resultar daado. Para que la electricidad sea de calidad, la fi abilidad del suministro de la tensin adecuada debe ser alta.

El suministro de electricidad tambin debe ser sostenible. La carga impuesta para el medio ambiente debe ser aceptable y los recursos naturales deben utilizarse del modo ms efi caz posible. Actualmente, hay tecnologas disponibles para conseguir unas emisiones de contaminantes, como xidos de nitrgeno (NOX) y xidos sulfricos (SOX), muy bajas. Ambos tienen un efecto negativo en la calidad del agua yprovocan la acidifi cacin de la tierra y las cuencas hidrogrfi cas.

Como ejemplo de las reducciones de las emisiones, el sector energtico en los EE. UU. fue responsable de 6,2 millones de toneladas de NOX en 1995, pero solo de 2,2 millones de toneladas en 2009, gracias a la limpieza de los gases de escape y al uso de combustibles ms limpios. Sin embargo, el consumo de combustibles fsiles total en los EE.UU. (es decir, petrleo, gas y carbn) fue casi idntico en 2009 y en 1995.

Otro problema es el calentamiento global. En todo el mundo, el sector energtico es responsable de casi la cuarta parte de las emisiones de CO2 antropognicas. Para el ao 2050, la Unin Europea pretende reducir los niveles de 1990 de emisiones de gases de efecto invernadero en casi el 85 %. El sector energtico no deber emitir gases de efecto invernadero en ese momento. Para conseguirlo, se ha determinado que las principales medidas son la reduccin en el consumo de energa, la introduccin a gran escala de fuentes de energa renovables, y la captura y el almacenamiento de carbono (CAC) para las aplicaciones de combustibles fsiles. En este contexto, es importante saber que las centrales elctricas son inversiones a largo plazo con una vida tcnica superior a 40 aos.

Figura 1.6. La acentuada reduccin en las concentraciones medias de NOX y SO2 enelaire ambiental de EE.UU. (fuente: EPA).


Las polticas de la UE indican que las centrales elctricas construidas recientemente que no estn preparadas para la CAC podrn cerrarse de forma anticipada.

No obstante, una interrupcin demasiado brusca del uso de combustibles fsiles para reducir las emisiones de CO2 afectara negativamente a la economa. El motivo que respalda este hecho es que: por unidad de energa generada, la mayora de las fuentes de energa renovables son ms caras que los combustibles fsiles. Asimismo, las fuentes de energa basadas en el viento, la radiacin solar, los fl ujos de mareas ylaenerga de las olas tienen una produccin variable por naturaleza.

La Agencia de Energa Internacional (AEI) ha calculado que solo el 3,7 % (o 0,8 PWh) de la demanda de energa elctrica mundial total, procedi de fuentes renovables en 2010 (sin incluir la energa hidroelctrica). Gran parte depende de las biomasas, principalmente, la madera. La madera suele utilizarse en las centrales elctricas de carbn existentes, en la cocombustin o en la combustin complementaria. La combustin de madera en centrales elctricas cuenta con grandes subvenciones en algunos pases, pero el efecto positivo en la reduccin de las emisiones de gases de efecto invernadero es cuestionable. Los clculos indican que las actividades forestales y los costes de transporte implicados pueden producir unas emisiones de 200g/kWh de CO2, es decir, casi la misma cantidad de CO2 que emite una central de cogeneracin de gas natural. Si se incluye la energa hidroelctrica en las fuentes renovables, actualmente el 19,7% de la electricidad procede de fuentes renovables.

Los esfuerzos necesarios para aumentar la cantidad de energas renovables son inmensos. Inevitablemente, las centrales energticas alimentadas con combustibles fsiles seguirn siendo necesarias durante muchas dcadas. En cualquier caso, evitar totalmente el uso de combustibles fsiles es difcil, ya que estas fuentes de energa pueden almacenarse fcilmente en grandes cantidades. En concreto, el gas natural puede actuar como batera de reserva verstil, barata e baja en carbono para equilibrar el suministro de electricidad intermitente de los generadores elicos, solares y mareomotrices. Noobstante, los recursos de combustibles fsiles son fi nitos. Se espera que la demanda global de energa elctrica casi se duplique en los prximos 20 aos. Por lo tanto, se requiere la mxima efi ciencia energtica y es necesario evitar los residuos y la quema de combustibles. En ltima instancia, el objetivo debe ser el cambio gradual a las fuentes de energa renovables, con equipos maduros, con garantas sufi cientes y de fabricantes de confi anza.

1.2. Desafos de las fuentes de energa renovables

La demanda de electricidad siempre ha refl ejado cierta variabilidad. Las variaciones a corto plazo en la demanda se producen debido a que los consumidores de electricidad encienden yapagan sus dispositivos aleatoriamente. El efecto neto de esto en la demanda es pequeo y losgeneradores convencionales pueden adaptar su produccin en consecuencia. Adems, hay una serie de patrones diarios, causados por los comportamientos sociales tpicos, cuando las personas van al trabajo o a la escuela por la maana regresan a casa por la tarde, yfi nalmente se van a la cama. Las estaciones afectan a estos patrones diarios, ya que en las regiones ms fras se necesita ms iluminacin y calefaccin durante el invierno. En las regiones clidas, senecesita el aire acondicionado en verano.

En muchas zonas, los patrones estacionales pueden distinguirse claramente. La fi gura 1.7 cuenta con 17 520 puntos de datos para ilustrar la variacin de la demanda de energa en la parte noroeste de Alemania durante un ao entero. Cada fi n de semana,

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W)

Datos de suministro de energa en la regin de Tennet, Alemania, ao 2012

15 000

0

12 500

10 000

7500

5000

2500

0

Semana 26, 2012, zona de TSO 50 Hertz, Alemania

Pote

ncia

(MW

)

Solar

Otras

Elica

Lun Mar Mi Jue Vie Sb Dom


se produce un descenso acentuado en la demanda. La variabilidad de la produccin de las centrales elctricas alimentadas con combustible es mucho mayor que la variabilidad en la demanda refl ejada en la fi gura 1.7. Esto se debe, a la produccin intermitente de una cantidad importante de fuentes de electricidad renovables en el sistema. Cabe destacar que, al fi nal del ao, cuando los trabajadores dejan de trabajar durante las vacaciones de Navidad, la demanda es muy baja. Durante este perodo vacacional, se registraron fuertes vientos en Alemania, lo que result en un exceso de electricidad que tuvo que exportarse alospases vecinos por una tarifa negativa de hasta 200/MWh.

A los generadores de electricidad basados en fuentes de energa renovables, como el viento, la luz solar y las mareas, se les suele conceder un suministro ilimitado en la red elctrica. No obstante, su produccin depende en gran medida del tiempo y la hora del da. Adems, su produccin nunca es totalmente previsible y, en ocasiones, es casi nula. La fi gura 1.8 refl eja la variabilidad en la produccin de las turbinas elicas y los

Figura 1.7. Ejemplo del patrn dinmico en la demanda de electricidad en la regin de Tennet de Alemania (datos de Tennet).

Figura 1.8. Produccin de energa elica y solar, y el suministro restante de otras fuentes en la regin del TSO 50Hertz en Alemania durante la 26 semana de 2012 (curvaacumulativa, las flechas negras indican los extremos de otras fuentes de energa).

2500

2000

1500

1000

500

00 6 12 18 24

Horas del 28 de abril de 2012

Pote

ncia

de

salid

a de

las

turb

inas

el

icas

(MW

)

Descenso de la produccin de 1,2GWh


paneles de energa solar fotovoltaica en la regin alemana del TSO (operador de sistemas de transmisin) 50 Hertz durante la 26 semana de 2012. Durante la madrugada del lunes, las turbinas elicas generaron casi toda la energa necesaria. Sin embargo, a las 8a.m. del jueves, laproduccin de fuentes elicas y solares era tan baja que fue necesario derivar 10,4GW de otras fuentes.

Debido a que las redes de transmisin y distribucin de electricidad apenas tienen capacidad de almacenamiento de energa, es necesario que la produccin y el consumo de electricidad coincidan de forma precisa. Si la fuerza motriz de los generadores supera el consumo de electricidad, ms las prdidas del sistema, los generadores aumentarn su velocidad y, a su vez, crecer la frecuencia en el sistema. En cambio, sila demanda es mayor que el suministro, descender la frecuencia. Para que el sistema funcione correctamente (y para muchas aplicaciones delicadas), la frecuencia debe permanecer dentro de unos mrgenes estrechos. Por lo tanto, los generadores estn equipados con controladores que pueden rectifi car su produccin, segn la desviacin de la frecuencia de sistema deseada. Por lo tanto, la variacin en la produccin de centrales elctricas es necesaria, pero no resulta econmico explotar una central elctrica compuesta por una sola unidad generadora en un amplio rango de carga. Las restricciones tcnicas tambin limitan que un solo generador tenga un amplio rango de produccin. Con cargas bajas, la efi ciencia del combustible es baja, mientras que los costes de mantenimiento por kWh son altos. Por lo tanto, los generadores se apagan si su carga se mantiene por debajo de un umbral determinado. En cambio, si los generadores en lnea no pueden hacer frente a un aumento en la demanda, esnecesario encender generadores adicionales.

Con una gran capacidad de fuentes renovables intermitentes en el sistema, la tarea de equilibrado de los generadores hidroelctricos y de combustible aumenta rpidamente. Cuando se pone el sol, la produccin de clulas fotovoltaicas desciende a cero, mientras que la demanda de electricidad suele aumentar. Esto se traduce en la necesidad de que la capacidad de generacin adaptable aumente su produccin de forma considerable. La fi gura 1.9 ofrece un ejemplo del rpido cambio en la produccin de todas las turbinas elicas de la regin del TSO Amprion alemn

Figura 1.9. Grandes diferencias en la produccin de energa de turbinas elicas en la regin del TSO Amprion de Alemania el 28 de abril de 2012.


durante las 24 horas del 28 de abril de 2012. Aqu se refl eja un ejemplo tpico del paso de una recesin. Se observaron dos aumentos importantes en la produccin de energa elica de hasta 1GW por hora. El gran descenso en la produccin de energa elica, de 1,8 GW a 0,6 GW, en el intervalo de las 11.00 a las 12.00 h requera un gran respaldo rpido por parte de las centrales elctricas. Situaciones todava peores se producen cuando el viento alcanza la categora de viento duro y es necesario detener las turbinas elicas para evitar que se produzcan daos fsicos. Por este motivo, las centrales elctricas de reserva deben ser cada vez ms fl exibles.

Los operadores de sistemas de transmisin (TSO) intentan introducir la gestin de la demanda para llevar a cabo el equilibrado. En ocasiones, esto se denomina respuesta ala demanda del sistema. Los electrodomsticos tpicos, como los frigorfi cos y los sistemas de aire acondicionado, pueden apagarse temporalmente. A menudo, el uso de lavadoras y secadoras puede aplazarse hasta el momento en que descienda la demanda general de electricidad. Esto requiere el uso de dispositivos inteligentes que respondan ante una seal del gestor de red. El precio variable de la electricidad tambin puede ayudar; para ello, senecesitan contadores inteligentes con indicadores de tarifas momentneas.

No obstante, estas medidas de gestin de la demanda solo pueden ser parte de la solucin para mantener la estabilidad del sistema. Sera necesario controlar una gran cantidad de aparatos para que se produzcan efectos observables. A modo de ejemplo, el uso de la gestin de la demanda para compensar la reduccin de 1,2 GW en la produccin de las turbinas elicas, como se puede ver en la fi gura 1.9, precisa un apagado equivalente al de 450 000 secadoras. Una secadora est en funcionamiento una media de 100 horas al ao. Por lo tanto, la probabilidad de que una secadora est en funcionamiento a una hora concreta es del 1% solamente. En resumen, no se espera que la demanda de electricidad domstica pueda cambiar ms que en un pequeo porcentaje gracias al uso de electrodomsticos y contadores inteligentes. Puede haber oportunidades de gestin de demanda ms adecuadas entre los usuarios industriales de electricidad.

1.3. Fallos y averas en los sistemas de suministro deelectricidad

Adems de la necesidad del equilibrado normal, pueden producirse y, de hecho se producen, fallos y averas en los sistemas de suministro de electricidad. Estas averas, tambin llamadas contingencias, afectan al equilibrio entre el suministro y la demanda. Los fallos en una central elctrica provocan una prdida instantnea del suministro de electricidad. Inmediatamente despus de que tenga lugar dicha prdida en la capacidad de generacin, la inercia de rotacin del sistema ayuda a evitar cambios bruscos en la frecuencia. El consiguiente descenso en la frecuencia es inevitable, pero los gestores de redes asignan la produccin de reserva de los generadores en lnea para compensar la unidad perdida. Esta produccin de reserva se denomina reserva primaria. Tras la aplicacin de las reservas primarias, la capacidad de generacin adicional se activa rpidamente para restaurar la frecuencia al valor deseado, deforma que las reservas primarias vuelvan a estar disponibles para la siguiente contingencia. Esta capacidad adicional se denomina reserva secundaria. Ya que una parte creciente de la capacidad de energa procede de los generadores no adaptables del sistema, cada vez resulta ms difcil contar con la capacidad de reserva adecuada dentro del sistema. Tener solo centrales elctricas en lnea de gran tamao, es muy arriesgado, ya que el fallo de una central elctrica tiene un gran efecto relativo en la capacidad de adaptacin de generacin.

Figura 1.10. La potencia elctrica tpica de una secadora es de 2,7kW.


Las reservas de contingencia modernas, tienen que estar formadas por centrales elctricas giles de menor tamao, bien distribuidas en el rea que se abastecer.

Las unidades de cogeneracin son un ejemplo de estas centrales elctricas distribuidas. La cogeneracin de calor y energa (CHP) es una forma efi caz de mejorar la efi ciencia del combustible y de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Con un nmero adecuado de estos generadores locales en un sistema, estas unidades tambin pueden utilizarse para controlar y equilibrar la frecuencia. Una vez ms, senecesitarn unas centrales elctricas muy fl exibles con unas velocidades de cambio rpidas y con unos tiempos de inicio y detencin cortos para equilibrar la produccin yla demanda de electricidad.

Los fallos en las redes de transporte y distribucin son inevitables. Pueden caer rboles sobre lneas de alta tensin y el granizo combinado con vientos fuertes puede daar los cables. A menudo, las excavaciones pueden provocar daos en los cables subterrneos. La generacin descentralizada resulta benefi ciosa en este aspecto, ya que reduce la dependencia de un reducido nmero de generadores distantes y de cables elctricos largos. A causa de su mayor aportacin a la capacidad de generacin de electricidad, los generadores descentralizados tambin deberan poder cumplir los cdigos de red establecidos por los gestores de redes de transporte y distribucin para grandes centrales elctricas. La capacidad de superar un cortocircuito es un ejemplo de uno de los nuevos requisitos de los generadores locales (consulte el apndice 2).

1.4. Equilibrio del suministro y la demanda enlosmercados deenergaSi del suministro de electricidad solo se encargan servicios totalmente integrados, se supone que la tarifa cobrada a los clientes cubre todos los costes del sistema. En semejante sistema, todos los benefi cios son para el propietario del sistema, que suele ser el estado, una provincia o un municipio. Los propietarios del sistema tambin se hacen responsables de las prdidas

Centtrallelcttricaa

Subestacin de transmisinde transmisin

Lneas de transmisin de alta tensin

Transformador

Subestacin elctrica

de Postes deelectrici delectricidad

Transformador de distribucin

Figura 1.11. Una compaa elctrica integrada que produce y suministra electricidad alos usuarios finales.

Polticos

Gobierno

Organismo regulador

Comercios

Hogares

Gestor de una red de transporte

Gestor de una red de distribucin

Grandes clientes industriales

Grandes clientes industriales con autogeneracin

Pequeos clientes industriales

Distribuidor de electricidad de la

competencia B

Distribuidor de electricidad de la competencia C

Distribuidor de electricidad de la competencia A

Generacin intermitente subvencionada de

energas renovables

Productora de energa de la competencia 2

Productora de energa de la competencia 1

Lmite de emisiones, impuesto sobre las

emisiones y subvenciones a las energas renovables

Impuesto sobre la energa y subvenciones

a las energas renovables

Subvenciones, impuestos y lmites de emisiones variables

Reglas variables Flujo de electricidad variable


fi nancieras. En algunos pases, la electricidad incluso est subvencionada. Las ampliaciones (y las renovaciones) de los sistemas de generacin y distribucin pueden planifi carse fcilmente en estas circunstancias. Por este motivo, algunos gobiernos y polticos prefi eren las situaciones en las que los servicios integrados controlan totalmente el suministro de electricidad, donde posiblemente varios productores de electricidad independientes se ocupan del abastecimiento de la red.

No obstante, la idea del libre mercado de fi nales del siglo XX abogaba por la liberalizacin econmica, con la privatizacin y la desreglamentacin en todos los segmentos de todos los mercados. Al permitir que los inversores privados asumieran elpapel del sector pblico, se supona que la productividad aumentara y se reduciran los costes para los clientes.

Se crea y, a menudo, se cree que el suministro de energa gestionado por el sector pblico es burocrtico, inefi caz y menos favorable para los consumidores. Es esto realmente cierto? Esa es la pregunta clave. Actualmente, el sector energtico liberalizado y desvinculado se queja de las interferencias constantes de los polticos con reglas cambiantes y grandes subvenciones para algunos tipos de generacin, lo que difi culta la inversin en nuevas centrales elctricas. Sin embargo, las diferentes partes interesadas siguen ejerciendo una gran presin para que se establezcan reglas

Figura 1.12. Un sector energtico liberalizado afectado por un gran nmero de participantes.


preferenciales para sus tecnologas o instalaciones tpicas. Los cambios constantes en las reglas difi cultan las inversiones a largo plazo.

Las centrales elctricas tienen una vida til tcnica muy larga, y las lneas de transmisin y distribucin duran an ms. Por este motivo, algunos pases, especialmente de Asia, han decidido no adoptar el modelo de mercado liberalizado, que suele estar dominado por los resultados trimestrales y la obtencin de benefi cios a corto plazo. Es ms, en muchos pases con un mercado elctrico liberalizado, el gobierno contina derivando una gran cantidad de ingresos a travs de impuestos sobre el uso de energa y el cobro de impuestos sobre el valor aadido. En general, el precio fi nal de la electricidad para los consumidores domsticos no se ha reducido como resultado de los nuevos mercados abiertos.

La frecuencia de la red, los niveles de tensin y la fi abilidad deben estar garantizados, incluso en un mercado de la electricidad abierto. Por lo tanto, se cobra a los gestores de redes de transporte (TSO) independientes por el control de la frecuencia y la tensin, y por el establecimiento de reglas para el mantenimiento de la estabilidad de la red y lafi abilidad del suministro. Los TSO calculan las necesidades de energa para el futuro prximo con modelos de prediccin elaborados, al tiempo que utilizan un mecanismo de mercado para garantizar que haya sufi ciente capacidad de generacin disponible. Con la introduccin de semejante capacidad de generacin intermitente procedente de fuentes renovables, la incertidumbre a la hora de pronosticar la produccin necesaria de las centrales elctricas no renovables es cada vez mayor. A modo de ejemplo, los modelos de previsin no pudieron prever los grandes cambios en la produccin de las turbinas elicas mostrados en la fi gura 1.9, como se puede ver en la fi gura 1.13.

En el enfoque de mercado abierto ms sencillo, las centrales elctricas solo reciben remuneracin por la energa proporcionada. El productor que ofrezca la electricidad ms barata sera el primero en el orden de mritos de un mercado nacional o regional. En este sencillo modelo de mercado, el TSO necesita que los productores de electricidad incluyan todos los servicios pertinentes, incluida la reserva para centrales elctricas que fallen yelcontrol de la frecuencia, en su oferta de suministro de energa.

Figura 1.13. Ejemplo de una gran desviacin entre la produccin de energa prevista y la real de turbinas elicas en la regin del TSO Amprion de Alemania el 28 de abril de 2012.

2500

2000

1500

1000

500

00 6 12 18 24

Horas del 28 de abril de 2012

Pote

ncia

de

salid

a de

las

turb

inas

e

licas

(MW

) Real

Pronstico

1

0,5

0

-0,5

-1

0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00Hora

Des

equi

libri

o (G

W)

50,10

50,08

50,06

50,04

50,02

50,00

49,98

49,96

49,94

49,92

49,90

00:00

:00

01:00

:00

02:00

:00

03:00

:00

04:00

:00

05:00

:00

06:00

:00

07:00

:00

08:00

:00

09:00

:00

10:00

:00

11:00

:00

12:00

:00

13:00

:00

14:00

:00

15:00

:00

16:00

:00

17:00

:00

18:00

:00

19:00

:00

20:00

:00

21:00

:00

22:00

:00

23:00

:00

(H

z)

Junio de 2003Junio de 2006

50,15

50,10

50,05

50,00

49,95

49,90

49,85

24 horas del 10 de abril de 2013

Frec

uenc

ia d

e la

red

(Hz)


Figura 1.14. Ejemplos de desequilibrios provocados por el comercio de electricidad (datos del informe de KEMA 74100846-ETD/SDA 12-00079, Swissgrid y TENNET).


En un modelo de mercado ms amplio, puede remunerarse a las centrales elctricas por la disponibilidad de la energa de reserva y por su capacidad para incrementar o reducir rpidamente su produccin. Incluso puede valer la pena recompensar factores como la fi abilidad de inicio y de suministro. El objetivo de los fabricantes de tecnologas de almacenamiento de energa es la compensacin fi nanciera por las capacidades de equilibrado de sus productos. Adems del almacenamiento hidroelctrico de bombeo, la mayora de las tecnologas de almacenamiento a corto y medio plazo siguen en desarrollo, y los investigadores estn ansiosos por promover sus tecnologas ante los proveedores de subvenciones.

Los mercados de suministro de electricidad suelen funcionar ofreciendo la energa en intervalos de tiempo fi jos, como en intervalos de 1 hora o 15 minutos. Este mtodo ocasiona desviaciones peridicas en la frecuencia de la red. Esto queda ilustrado en la fi gura 1.14. Por lo tanto, la estabilidad de la frecuencia ha disminuido desde la introduccin de los mercados de la electricidad abiertos. Cada vez que un nuevo intervalo de tiempo de comercio termina (o empieza), las centrales elctricas aumentan o reducen su potencia de salida. Esto debe compensarse con la capacidad de regulacin de frecuencia de las centrales elctricas concebida originalmente para contingencias originales, como la prdida de una central elctrica. Las centrales elctricas que reaccionan lentamente experimentan difi cultades a la hora de restaurar la frecuencia de la red a valores que se encuentren dentro del rango necesario.

En el captulo 7 de este libro le mostraremos de qu forma una cartera de generacin seleccionada adecuadamente en un sistema de suministro de electricidad puede mejorar la estabilidad del sistema con unos costes reducidos y una mayor fi abilidad. Con un enfoque adecuado, incluso se puede conseguir esta estabilidad con una gran proporcin de generacin de fuentes renovables intermitentes en el sistema. Inevitablemente, gran parte de la generacin intermitente disminuye el factor de utilizacin de las dems centrales elctricas. La consecuencia de un factor de utilizacin bajo es un coste de capital especfi co ms alto (/MWh) para las centrales elctricas de combustible. Por lo tanto, los costes de inversiones sern un elemento clave para la nueva capacidad de generacin de energa.

El cambio hacia una mayor generacin de fuentes renovables en el sistema reducir realmente el consumo de combustibles fsiles. No obstante, la consiguiente reduccin en el factor de utilizacin de las otras centrales elctricas reducir inevitablemente los costes de capital por kWh producidos. Adems, las centrales elctricas de combustible debern ser mucho ms fl exibles en el futuro, con inicios y paradas frecuentes, endices de incremento elevados en la produccin.

1.5. Conclusiones

Un crecimiento estable en el uso de la electricidad, que coincide con las preocupaciones por la sostenibilidad, generar una serie de desafos importantes. Los reguladores interfi eren cada vez ms en los mercados y utilizan subvenciones y gravmenes para conseguir sus objetivos. Los inversores se enfrentan a la incertidumbre de la rentabilidad a causa de los cambios frecuentes en las condiciones lmite. Los gestores de sistemas de suministro de energa tienen que hacer frente a los desafos presentados por las producciones variables de las fuentes de energa renovables y las incertidumbres de los errores de previsin. Para compensar la imprevisibilidad de los mercados y respaldar la produccin intermitente de las fuentes de energa renovables, se necesita un nuevo nivel de fl exibilidad en los sistemas energticos.

22 Equilibrado del suministro de electricidad en caso de catstrofeLa estabilidad en los sistemas de suministro de electricidad debe mantenerse incluso durante alteraciones, tales como cortocircuitos importantes, fallos de generadores o la prdida de grandes cargas. Para mantener la estabilidad del sistema, el papel de la inercia de rotacin es esencial. Al integrar fuentes renovables con una inercia baja o nula en el sistema, el equilibrado es cada vez ms difcil. Para evitar el riesgo de colapsos de frecuencia y apagones, se necesitan nuevas soluciones para la generacin de reservas de combustible.

Equilibrio

InerciaProduccin Demanda


2.1. Coherencia entre el suministro y la demanda de electricidad

La tarea principal de los gestores del suministro de energa elctrica es hacer que la generacin de electricidad coincida constantemente con la demanda de electricidad. La coincidencia continuada es necesaria, ya que el sistema de suministro como tal no puede almacenar energa elctrica. Si la demanda de electricidad supera sistemticamente la energa proporcionada por las mquinas que accionan los generadores, las unidades de generacin respondern disminuyendo la velocidad de rotacin. Como consecuencia, lafrecuencia de la red disminuir y el sistema se desplomar en cuestin de segundos, lo que redundara en un apagn. Afortunadamente, no se producirn apagones si el desequilibrio en la demanda y elsuministro se produce a corto plazo, ya que las unidades de generacin y los motores elctricos almacenan energa en la masa de rotacin (la llamada inercia). Dicha compensacin limita la velocidad de cambio en la frecuencia en caso de desequilibrio entre la generacin y la demanda. La energa almacenada en esta inercia ofrece tiempo para que los motores o turbinas que accionan los generadores ajusten su produccin para restaurar el equilibrio.

La estabilidad de la frecuencia al alternar los sistemas actuales es una medida de equilibrio adecuada. La frecuencia es, por defi -nicin, el nmero de veces que se produce una onda sinusoidal completa por segundo en la red. La unidad internacional que denota la frecuencia es el hercio (Hz). La velocidad de rotacin de los generadores determina esta frecuencia y el denominado valor nominal de la frecuencia depende de la ubicacin global. Amrica y Japn operan a 60 Hz, mientras que la mayora de las reas restantes lo hace a 50Hz. Enrealidad, la frecuencia de la red vara en torno al valor deseado. La fi gura 2.2 muestra la frecuencia de la red en los Pases Bajos durante un breve intervalo de 5 minutos despus de las 05.00 h del 12 de abril de 2013. La demanda de los consumidores nunca es totalmente constante y los genera-dores tambin presentan cierta variabilidad en su produccin. Sin embargo, en trmino medio, la frecuencia debe coincidir con el valor deseado.

Si la frecuencia real se desva ligeramente del valor deseado, no se realiza ninguna accin para cambiar la confi guracin de salida de los generadores. Esto ocurre por diferentes razones. Cada sistema de medicin sufre cierta imprecisin, aunque los sistemas de control tambin presentan cierta insensibilidad. Los esfuerzos para mantener la frecuencia dentro de unos mrgenes estrechos, es decir, un funcio-namiento iscrono real, desembocara en el control extremadamente activo de las mquinas que accionan los generadores, lo que a su vez provocara un desgaste innece-sario. En la fi gura 2.2 se muestra un ejemplo de un sistema con un rango de errores de medida permitido de +/- 10 mHz, con una zona adicional de +/- 10 mHz donde no es necesario que el generador realice ninguna accin. En consecuencia, el resultado es una zona inactiva total de +/- 20 mHz. No obstante, la frecuencia media en un intervalo de tiempo prolongado sera exactamente 50 000 Hz, y los gestores de redes actuaran si la desviacin acumulada de este valor deseado se volviera excesiva.

En la fi gura 2.2, la frecuencia de la red supera la zona inactiva 20 segundos despus de las 05.00 h del 10 de abril de 2013. En ese momento, las centrales

Figura 2.1. Una ilustracin del delicado equilibrio entre la demanda y la produccin de electricidad, con la inercia de rotacin amodo de reserva con energa almacenada.

50,05

50,04

50,03

50,02

50,01

50,00

49,99

49,98

49,970 60 120 180 240 300

Segundos despus de las 05,00 h del 10 de abril de 2013

Frec

uenc

ia d

e la

red

(Hz)

Accin de regulacin de frecuencia

Zona sin servicio adicional

Zona sin servicio adicional

Error de medicin permitido

2. Equilibrio del suministro de electricidad en caso de catstrofe 31

elctricas de reservas de control primarias empiezan a reducir ligeramente su confi guracin de produccin de forma automtica. Varios cientos de segundos despus, la frecuencia vuelve a encontrarse dentro de los lmites permitidos yfi naliza la accin de control de los generadores. Las denominadas reservas primarias controlan automticamente la accin de regulacin de la frecuencia. La accin automtica es la nica opcin debido a la rpida respuesta necesaria para mantener la frecuencia dentro de unos mrgenes estrechos.

Las reservas de control primarias tambin se denominan reservas de contencin de frecuencia. Se producirn cambios sustanciales en la frecuencia si se desconecta un consumidor de gran tamao o si falla una central elctrica. En los sistemas de suministro de energa modernos, muchos generadores se interconectan a travs de la red de transmisin. El nmero de generadores en lnea debe ser sufi ciente para garantizar que la capacidad de reserva de las dems unidades de generacin pueda asumir, en gran medida, los fallos de las unidades de mayor tamao.

2.2. Reservas de control primarias para compensar el fallo deuna central elctrica

Resulta interesante analizar qu ocurre cuando falla una central elctrica de un sistema de suministro de electricidad. Para simplifi car dicho anlisis, imaginamos un sistema de suministro con diez centrales elctricas con la misma capacidad de energa. Cada una de las diez centrales elctricas tienen una capacidad de energa nominal de 500MW, y todas funcionan al 90% de su capacidad para ofrecer un 10% de reservas de control primarias. Al menos en teora, eso sera sufi ciente para compensar el fallo de una de las diez centrales elctricas. La potencia nominal es la potencia indicada en la placa de la unidad de generacin, mientras que la velocidad nominal es la cantidad normal de revoluciones por minuto de la unidad de generacin. En este ejemplo, la demanda de electricidad suministrada por las

Figura 2.2. Ejemplo de las reglas para el control de frecuencia, con un ejemplo de las variaciones de frecuencia reales (fuente de datos sobre frecuencia: TENNET).

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Demanda de los clientes

Lneas de transmisinLneas de transmisin

Entrada de energa

Salida de energa

Energa de rotacin Er= lr 2

=2 f =2 n/60


diez centrales elctricas asciende al 90 % de 10 500 MW = 4500 MW. A continuacin mostraremos qu ocurre si, por ejemplo, la central elctrica nmero 7 falla repentinamente y el sistema pierde de inmediato 450MW del suministro de energa necesario. Este ejemplo puede parecer algo exagerado, ya que la prdida repentina del 10 % de la generacin adaptable no es frecuente. No obstante, con semejante capacidad de fuentes renovables en un sistema, estos casos son cada vez ms realistas. Asimismo, los efectos de los desequilibrios en un sistema pueden verse claramente en este ejemplo.

Tras el fallo de una central, las nueve centrales elctricas restantes no pueden aumentar instantneamente la potencia de salida de las mquinas que accionan los generadores de los 450 MW iniciales a los recientemente adquiridos 500 MW para suministrar la demanda total del sistema de 4500MW. Las centrales elctricas necesitan tiempo para reaccionar ante los nuevos valores de produccin deseados. Por lo tanto, si no hay energa disponible procedente de la masa de rotacin (la inercia giratoria) en el sistema, el desequilibrio detendra de inmediato todos los generadores, lo que se traducira en un apagn. La cantidad de energa almacenada en el grupo generador de rotacin es linealmente proporcional al momento de inercia I y a la velocidad de funcionamiento al cuadrado n. La inercia es una propiedad asociada al efecto del volante de inercia de la masa de rotacin. La velocidad de funcionamiento n proporciona el

Figura 2.3. Diez centrales elctrica que abastecen inicialmente la demanda de electricidad necesaria cuando una de ellas (la nmero 7) falla.

Figura 2.4. La energa almacenada en el sistema de suministro de energa como resultado del efecto del volante de inercia de las unidades de generacin rodantes. (f = velocidad de rotacin en revoluciones por segundo, Ir = momento de inercia).


nmero de revoluciones por minuto del rotor del generador. En un sistema de 50 Hz, ungenerador con un solo par de polos funciona a 3000rpm. En este caso, la frecuencia f es igual a n/60.

La cantidad de energa Er almacenada en la inercia de rotacin de un grupo generador suele expresarse como una fraccin de la capacidad de potencia nominal P de dicho grupo generador. Esta fraccin se denomina constante de inercia I de un grupo generador:

= .(2f)2 .I= =Er

PnominalIr

Pnominal.Ir.2

PnominalLa dimensin I de la constante de inercia es idntica a la de tiempo y se expresa

en julios/vatio = J/(J/s) = s (segundo). La constante de inercia de una unidad de generacin de gran tamao se encuentra en un rango de entre 5 y 10 segundos. Esto signifi ca que, cuando una unidad de generacin de 500MW funciona a su velocidad nominal, sus piezas giratorias tienen 2500 MJ de energa de rotacin si la I es de 5 segundos, y 5000 MJ si la I es de 10 segundos. Esta es tambin la cantidad de energa que debe transferirse a las piezas de rotacin cuando se inicia una unidad de generacin y se acelera a su velocidad nominal. Si se envan los 5000 MJ de energa durante esta aceleracin a la inercia de rotacin con una mquina que utilice gas natural como combustible, podemos calcular la cantidad de gas necesaria. Si la mquina de accionamiento tiene una efi ciencia de combustible del 40 % y el gas natural tiene un valor de calentamiento inferior de 36 MJ/m3, hacen falta 5000/36 100/40 = 350 m3 de gas para que el rotor alcance la velocidad nominal. Esta cantidad de gas ofrece sufi ciente energa para calentar 35 000 litros de agua de 20C a 100C y preparar 280 000 tazas de t. Un grupo de 3000 bateras de automvil tambin puede suministrar la cantidad de energa necesaria. Esto refl eja que, aunque la energa almacenada en la inercia de rotacin de un grupo generador no es elctrica, es una cantidad de energa impresionante.

2.2.1. La utilidad de la constante de inercia I La constante de inercia I es muy til a la hora de obtener una primera impresin de la velocidad a la que una unidad de generacin cambia de velocidad en caso de desequilibrio entre el suministro al generador y la demanda de energa. El desequilibrio tiene lugar cuando la carga elctrica cambia mientras se mantiene la energa suministrada al eje del generador desde su mquina motriz (es decir, el motor de accionamiento o la turbina). Para una constante de inercia de 5 segundos, la cantidad de energa en las piezas de rotacin es sufi ciente para suministrar la carga nominal del generador durante 5 segundos sin ninguna aportacin de energa de su mquina motriz. Tras ese intervalo de tiempo, el generador se parar. Asimismo, si la mquina motriz fuera a suministrar el 90% de la carga nominal al generador, aunque la carga del generador coincidiera con la carga nominal, la energa de rotacin bastara para cubrir el desequilibrio durante 50 segundos. Por lo tanto, se tarda diez veces ms que si la mquina motriz no suministra energa antes de llegar a la parada. No obstante, incluso en el ltimo caso, la frecuencia alcanzar rpidamente un valor fuera del rango permitido.

La ecuacin 2.1 revela que la energa de rotacin del grupo generador es proporcional a la velocidad de funcionamiento instantneo al cuadrado. Esto signifi ca que, a velocidades ms altas, hay mucha ms energa en la inercia que a velocidades

Ecuacin 2.1.


ms bajas. Por lo tanto, la frecuencia no disminuir de forma lineal con el tiempo si hay un desequilibrio fi jo entre el suministro de potencia al generador y la carga del generador. La fi gura 2.5 muestra de qu forma la frecuencia de la red ofrecida por los nueve generadores restantes (fi gura 2.3) disminuye si cada generador recibe 450 MW de su mquina motriz, al tiempo que la carga combinada se mantiene en 4500 MW. Cada uno de los nueve generadores en funcionamiento debe recibir 500 MW para evitar los desequilibrios. Por lo tanto, cada unidad de generacin presenta un dfi cit en el suministro de potencia de 50 MW. La curva de frecuencia en la fi gura 2.5 es una representacin de la ecuacin 2.2. La derivacin de la ecuacin 2.2 requiere una manipulacin matemtica considerable. Los lectores interesados pueden encontrar la derivacin de la ecuacin 2.2 en el apndice 1.

. f(t)=(f2nominal +f2nominal

iP

Pnominal. t)

60

50

40

30

20

10

00 20 40 60 80 100

Tiempo (segundos)

Frec

uenc

ia d

e la

red

(Hz)

Pnominal=500MW, P=-50MW, Pinicial=450MW

Figura 2.5. La reduccin en la velocidad de un generador donde la carga del generador supera constantemente la potencia del eje de accionamiento en 50 MW (constante de inercia I = 10 segundos, carga constante asumida).

El descenso en la frecuencia durante los primeros segundos siguientes a un evento de contingencia grave es un indicador perfecto del tamao del desequilibrio. Al principio, la frecuencia de rotacin del grupo generador se mantiene muy similar a la frecuencia nominal (50 Hz o 60 Hz) y, por lo tanto, la aproximacin puede realizarse para que el descenso inicial en la frecuencia por unidad de tiempo df/dt sea igual a:

fnominalP

2iPnominaldfdt =

Ecuacin 2.2.

Ecuacin 2.3.


La ecuacin 2.3 revela que en nuestro ejemplo de I de 10 segundos, un dfi cit de potencia de 50 MW por generador con una potencia nominal de 500 MW y una frecuencia de 50 Hz, deriva en un cambio en la frecuencia de 0,25 Hz por segundo exactamente al inicio del incidente. Esto aparece indicado en la fi gura 2.6 mediante la lnea marrn. Si el dfi cit de energa por generador fuera de solo 25 MW, el descenso en la frecuencia se habra reducido por la mitad a 0,125 Hz/s. Esta relacin sencilla entre el tamao del desequilibro y el cambio en la frecuencia inicial es muy til, especialmente en el funcionamiento en isla, donde unos pocos generadores deben mantener la estabilidad de la red. Segn el valor de la inclinacin en frecuencia frente a tiempo, el suministro de combustible a la mquina que acciona el generador puede adaptarse de forma inmediata y adecuada para no perder tiempo en la restauracin de la frecuencia del generador. Las lneas rojas horizontales de la fi gura 2.6 muestran los lmites de frecuencia dinmica permitidos mximos en el rea sncrona de Europa Continental. La lnea verde de la fi gura 2.6 representa la frecuencia nominal de la red de 50000Hz.

51

50,5

50

49,5

490 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Tiempo (segundos)

Reduccin de frecuencia sin accin de control

Frec

uenc

ia (H

z)

Figura 2.6. Una vista detallada de los 4 primeros segundos de la figura 2.5: la lnea gruesa marrn presenta el descenso en la frecuencia de la red para un desequilibrio del 10% en el sistema a causa del fallo de una central elctrica (I = 10s).

2.2.2. Potencia autorregulable en una red de electricidad

Si la frecuencia de la red disminuye, la demanda de electricidad se reduce ligeramente. Esto se debe principalmente a que los motores elctricos sncronos de la red demandan menos potencia, ya que la carga disminuye junto con la velocidad de funcionamiento. Esto se conoce como potencia autorregulable del sistema de suministro. Los requisitos de potencia de las bombas accionadas con motores sncronos pueden disminuir en un 6 % por Hz cuando disminuye la frecuencia. En el caso de las aplicaciones accionadas mediante motor con un par constante, la demanda de energa puede reducirse en un 2% por Hz. Ya que los motores sncronos conforman solo una pequea fraccin de la carga total, se suele presuponer que la potencia autorregulable del sistema en los pases industrializados presenta una desviacin del 1% por Hz con respecto a la frecuencia nominal. En las zonas con poca actividad industrial, la potencia autorregulable de la red ser casi nula.

60

50

40

30

20

10

00 25 50 75 100 125 150

Tiempo (segundos)

Frec

uenc

ia d

e la

red

(Hz)

P nominal por generador 500MW, P=50MW, 1%/Hz regulacin automtica de carga de red

Carga con regulacin automtica

Carga fija


No se debe sobrestimar el efecto positivo de la potencia autorregulable. Si la frecuencia de la red desciende del valor deseado de 50 Hz a 49,8 Hz, la potencia autorregulable solo reduce la demanda en 0,2 1 % = 0,2 %. Este 0,2 % es una reduccin de solo 9 MW de la carga total de 4500 MW en nuestro ejemplo de sistema con diez generadores. No obstante, si la frecuencia de la red desciende de 50 Hz a 40 Hz, la reduccin en la demanda de electricidad a causa de la potencia autorregulable sera 10 Hz 1 % / Hz = 10 % (es decir, 450 MW en nuestro ejemplo). Esto se traduce en una reduccin de 50 MW en la demanda de cada uno de los nueve generadores que permanecieron en lnea tras el error de una mquina. En consecuencia, con una frecuencia de 40 Hz, la generacin y la demanda vuelven a coincidir si las nueve centrales elctricas mantienen su confi guracin de potencia de salida en los 450 MW iniciales. En realidad, los generadores experimentan problemas para mantener la potencia de salida constante cuando la frecuencia desciende tanto. La potencia de salida de la mquina motriz que acciona el generador es proporcional al producto del par M y la velocidad de funcionamiento n. Si la frecuencia de la red desciende de 50Hz a 40Hz, el par de accionamiento M debe aumentar en un factor de 50/40 = 1,25 para suministrar la misma potencia al generador. Esto puede desembocar fcilmente en una sobrecarga mecnica. Al mismo tiempo, la turbomaquinaria en concreto debe cargar con las frecuencias naturales del sistema del rotor que limitan su rango en las velocidades de funcionamiento. Los generadores sufren al funcionar a baja frecuencia a causa del llamado sobrefl ujo magntico, que provoca un sobrecalentamiento potencialmente daino. En la prctica, la potencia autorregulable de una red apenas resulta til a la hora de realizar el equilibrado.

Figura 2.7. Mitigacin del descenso en la frecuencia a causa de la regulacin automtica de la carga de la red en el caso de un desequilibrio inicial de 50MW entre la carga y la potencia de salida del generador.


2.2.3. Explicacin de la funcin de estatismo de los grupos generadores

Un descenso en la frecuencia de la red de 50Hz a 40Hz es excesivo e inaceptable para muchos generadores y aplicaciones. Por lo tanto, la desviacin mxima de la frecuencia nominal durante eventos dinmicos, como la prdida de un generador o la prdida de una carga principal se establece en +/-800mHz en el rea de control sncrona de Europa Continental. Si solo se encontrara presente la regulacin automtica de la carga, este rango de frecuencias se superara en gran medida si se produjesen catstrofes. Polotanto, cada sistema de suministro de electricidad cuenta con generadores que ofrecen reservas de control primarias que se activan automticamente si la frecuencia de la red supera los lmites estrictamente defi nidos. El cambio en la produccin de las reservas de control primarias depende de la magnitud de la desviacin en la frecuencia de la red de la frecuencia nominal. Dicho de otro modo, la produccin deseada de un generador que acta como reserva primaria depende de la frecuencia de la red real: cuanto menor sea la frecuencia, mayor ser la produccin de las reservas de control primarias. Esta dependencia del punto de ajuste de la produccin en la frecuencia de la red suele denominarse sgenerador de estatismo (ecuacin 2.4). El signo menos de la ecuacin 2.4 indica que un descenso del valor f de la frecuencia de la red redunda en un aumento del valor P de la potencia de salida del generador que proporciona las reservas primarias.

Esto suele rescribirse en trminos de la potencia regulable (Pregulacin) del sistema:

Donde:

La confi guracin del valor de estatismo del sistema de control suele encontrarse en un rango del 2 al 8%. Un valor sgenerador de estatismo del 4% signifi ca, por ejemplo, que la potencia de salida aumenta del 0 % al 100 % si la frecuencia disminuye en un 4 % (por ejemplo, de 50 Hz a 48 Hz). La relacin entre el cambio en la produccin y la desviacin en la frecuencia es lineal. En el lenguaje de las tecnologas de medicin y control, esto se denomina accin proporcional y se indica mediante la letra P. Esto signifi ca que la potencia adicional de las reservas de control primarias solo se encuentra presente si hay desviacin de la frecuencia nominal deseada.

Ecuacin 2.4.Pgenerador= sgenerador1

. fnominal-f

. Pgenerador nominal

Ecuacin 2.5.Pgenerador=-Pregulacin . f,

Ecuacin 2.6.Pregulacin=Pgenerador nominal

sgenerador . fnominal

500

400

300

200

100

0

48,0 48,5 49,0 49,5 50,0 50,5 51,0 51,5 52,0

Frecuencia de la red (Hz)

Prod

ucci

n d

el g

ener

ador

(MW

)

Generador de 500MW funcionando a 250MW

4% de estatismo

3% de estatismo

5% de estatismo

Lmites de frecuencia


2.2.4. La funcin de las reservas primarias

Como se ha explicado anteriormente, las reservas primarias estn diseadas para evitar las desviaciones excesivas en la frecuencia durante incidentes graves que afecten al equilibrio del sistema de suministro de electricidad. No obstante, las reservas primarias solo detienen la frecuencia temporalmente. No pueden devolver la frecuencia a su valor nominal. La fi gura2.8 ilustra cmo la potencia de salida de un generador de 500 MW que funciona a 250 MW yque acta como una reserva primaria vara con la frecuencia para tres confi guraciones de estatismo diferentes. Para una frecuencia de red de 50 Hz exactamente, la produccin del generador es igual a 250MW. Cuando disminuye la frecuencia de la red, la produccin del generador aumenta de forma lineal con ella. En cambio, si aumenta la frecuencia de la red, laproduccin del generador disminuir siguiendo la lnea de estatismo. La fi gura 2.8 revela que, cuanto ms bajo sea el porcentaje de estatismo, ms acentuada ser la reaccin del generador en las desviaciones de la frecuencia nominal de la red.

A primera vista, la eleccin de un valor de estatismo muy bajo podra ser la mejor opcin para mantener la frecuencia de la red lo ms prxima posible a los 50 Hz deseados. No obstante, si el estatismo es muy pequeo, lo que signifi ca que el factor de ganancia es muy alto, las reservas primarias pueden reaccionar intensamente ante las desviaciones en la frecuencia. Esto tiene como resultado un desgaste adicional de la maquinaria, a la vez que aumenta el riesgo de oscilaciones e inestabilidad del sistema. Algunas centrales elctricas tradicionales suelen experimentar cambios rpidos en la produccin. Las calderas de vapor de alta temperatura pueden experimentar cavitaciones y choques trmicos durante los cambios de carga repentinos. Adems, todos los generadores que actan como reservas de control primarias no tienen las mismas propiedades dinmicas en la prctica. Cada unidad tiene su propio tiempo de retardo al

Figura 2.8. Produccin de un generador de 500MW que acta como reserva de control primaria, en funcionamiento a 250MW con una frecuencia nominal de red de 50Hz, con tres configuraciones de estatismo diferentes.

100

80

60

40

20

00 5 10 15 20 25 30 35

Tiempo despus de orden de aumento (segundos)

Rese

rvas

pri

mar

ias

de p

rodu

cci

n (%

)


reaccionar a un aumento en el punto de ajuste de la produccin, y cada unidad tendr su propia velocidad de aumento tpica. Hasta ahora, no era posible realizar aumentos casi escalonados en la produccin. No obstante, algunas tcnicas de generacin modernas pueden reaccionar mucho ms rpidamente que las unidades tradicionales. La velocidad de aumento tpica para las reservas de control primarias en el sistema del rea sncrona de Europa Continental es del 100 % en 30 segundos (fi gura 2.9). Tras un breve retardo (por ejemplo, 2 segundos), se supone que las reservas de control primarias aumentan su produccin a una velocidad fi ja.

Volvamos al ejemplo del sistema de suministro de electricidad ilustrado en la fi gura 2.3, donde cada uno de los diez generadores idnticos portaba una carga de 450 MW cuando un generador fall repentinamente. Sin realizar ninguna accin en relacin con el punto de ajuste de la mquina motriz que acciona cada generador, la frecuencia de la red caera a 40Hz, como se muestra en la fi gura 2.7. No obstante, si cada uno de los nueve generadores restantes tambin se utiliza parcialmente para el control de frecuencia primario (cada uno con un estatismo del 4 %, como se puede ver en la fi gura2.10), lafrecuencia de la red no descender a 40Hz. A causa de la confi guracin de estatismo, el punto de ajuste de la produccin total de cada central elctrica se alcanzar con una frecuencia de red de 49,8 Hz, como se puede ver en la fi gura 2.10. La fi gura 2.6 revela que, tras la contingencia de un fallo en una central elctrica, estos 49,8 Hz se alcanzaran aproximadamente 0,5 segundos despus del fallo de la central elctrica nmero 7. Por lo tanto, se puede presuponer que el nuevo punto de ajuste que solicita la produccin completa de los generadores se encuentra presente casi inmediatamente despus de la prdida de uno de los diez generadores del sistema del ejemplo.

No obstante, con independencia de los rpidos cambios en sus puntos de ajuste, las nueve centrales elctricas que utilizan su capacidad disponible adicional para las reservas de control primarias no alcanzarn su produccin total de inmediato. Si presuponemos que la produccin de estas centrales elctricas seguir el supuesto aumento mostrado en la fi gura 2.9, la carga de la red y la potencia suministrada a los generadores se igualarn transcurridos unos 25 segundos aproximadamente (consultela fi gura 2.11). En ese momento, la frecuencia de la red llegar a su valor mnimo.

Figura 2.9. Velocidad de aumento tpica de las reservas de control primarias.

500

400

300

200

100

048,0 48,5 49,0 49,5 50,0 50,5 51,0 51,5 52,0

Frecuencia de la red (Hz)

Prod

ucci

n d

el g

ener

ador

(MW

)

Generador de 500MW funcionando a 450MW


Segn la fi gura 2.9, los 50 MW adicionales necesarios por generador que se perdieron cuando uno de los diez generadores originales fall se encuentran totalmente disponibles en las reservas primarias tras 30 segundos. Estos 50 MW por generador son un poco ms de lo que la carga de la red necesita para mantenerse equilibrada con el valor de frecuencia mnimo mencionado. Esto se debe a la reduccin en la carga provocada por la potencia autorregulable. La energa excedente suministrada se utiliza para volver a acelerar las masas de rotacin (los volantes de inercia) en el sistema. No obstante, la frecuencia nominal de 50 Hz no puede alcanzarse con las reservas de control primarias siguiendo una lnea de estatismo. En nuestro ejemplo, cuando la frecuencia de la red supera los 49,8Hz, la produccin de las reservas primarias disminuye de nuevo (consulte la fi gura 2.10). Eso creara otra incoherencia entre el suministro de potencia y la carga. Por lo tanto, se mantendr una desviacin entre la frecuencia real ylafrecuencia nominal de la red ligeramente inferior a 0,2Hz solo en los casos enlos que las reservas de control primarias se utilicen para restaurar el equilibrio. Esta desviacin entre la frecuencia alcanzada fi nalmente con ayuda de las reservas primarias y la frecuencia deseada de 50 000 Hz se denomina desviacin de estado cuasi estable. Los gestores de redes de transporte defi nen los valores mnimos y mximos permitidos de esta desviacin. Se necesita una capacidad adicional (denominada reserva de control secundaria) para proporcionar potencia adicional en el sistema con el fi n de restaurar la frecuencia de la red a los mrgenes estrechos obligatorios de la frecuencia nominal.

Como hemos mencionado anteriormente, este estrecho margen de frecuencia solo es igual a +/- 20 mHz en torno a los 50 Hz del rea sncrona de Europa Continental. La aplicacin de las reservas de control secundarias aumenta la frecuencia an ms, por lo que las reservas primarias pueden reducir su produccin y regresar a su confi guracin de carga inicial de 50 Hz. Dicho de otro modo, las reservas secundarias liberan a las reservas primarias de su tarea. Esto permite que las reservas primarias estn preparadas para el prximo incidente grave, como la prdida repentina de un generador o la prdida/recepcin de una gran carga.

Figura 2.10. La funcin de estatismo de un generador con una potencia nominal de 500MW, una vez ms con una configuracin de estatismo del 4%, pero funcionando a 450MW y 50Hz.

50

48

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