Redes eficientes energéticamente

Aprovechando el viento El viento provoca un cambio de paradigma en el suministro de energía eléctrica Jochen Kreusel

Ante el efecto invernadero antropogénico y ante la escasez de combustibles que nos espera, el mercado energético está cambiando su naturaleza. Fuentes alternativas como la energía eólica han conseguido importantes cuotas de este mercado, siempre en rápido crecimiento. “Soplan aires de cambio”, como dice el viejo tópico. Pero esta expresión, desgraciadamente, también tiene otro sentido: la generación de electricidad se detiene cuando se para el viento. Los consumidores, en general, no estarían dispuestos a aceptar un apagón cada vez que cambie el tiempo, y por tanto haría falta capacidad de generación de reserva para compensar con rapidez las fluctuaciones. Pero éste no es el único reto. Las centrales térmicas se construyeron en los lugares más convenientes para la red de transmisión, con gran frecuencia cerca de poblaciones importantes. Pero la energía eólica sólo se puede generar allí donde sopla el viento. La red de transmisión tiene que adaptarse a la generación y no a la inversa. El sistema de suministro de energía eléctrica del futuro tendrá que ser un mediador flexible entre lo imprevisible de la generación y las grandes expectativas del usuario respecto de la calidad del suministro.

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U

na de las principales ventajas del suministro eléctrico en los países industrializados es la disponibilidad de energía eléctrica de calidad constante y prácticamente en cualquier lugar. Esto se ha conseguido con una estructuración sistemática del sistema, orientada hacia el consumo desde sus inicios al principio del siglo XX. Frecuentemente, los sistemas se planificaban y construían en las proximidades de centros de consumo (en su origen, el suministro de energía eléctrica era básicamente descentralizado y local) y las centrales térmicas actuales, generalizadas en la mayoría de los países, funcionan según patrones operativos orientados al consumo. El almacenaje de la energía necesaria para compensar las fluctuaciones del consumo tiene lugar básicamente en el lado de la energía primaria, donde normalmente se puede implementar de forma rentable (por ejemplo, acumulando combustible). Sin embargo, durante los últimos 15 años se ha puesto en tela de juicio este principio básico, por dos razones principales: La liberalización del suministro de energía eléctrica, dominante en muchas partes del mundo desde principios de los años noventa, ha derribado el principio de generación local. No es una buena política competir sin la posibilidad de suministrar desde diferentes centrales. El cambio climático causado por las emisiones de gases de efecto invernadero, cada día más evidente, y la creciente escasez de combustibles fósiles como fuente de energía pri1

maria han avivado el interés por las fuentes renovables de energía. Después de la energía hidroeléctrica, utilizada desde los primeros tiempos del suministro eléctrico, la energía eólica es hoy la segunda fuente renovable más importante del mundo. El viento y el sol son fuentes casi ideales de suministro sostenible de energía: limpia, disponible a largo plazo y con un elevado potencial de crecimiento en comparación con las demás formas de energía renovable. Sin embargo, su explotación significa dejar atrás un modo de operación gobernado simplemente por la carga. Puesto que ni la energía eólica ni la solar se pueden almacenar en el lado primario, los sistemas de suministro de energía eléctrica del futuro tendrán que ser más flexibles que los sistemas actuales: en un lado deberán poder equilibrar la generación, imprevisible y errática, pero además deberán responder, en el lado de consumo a una exigencia permanente de alta calidad y de suministro fiable. Cambios estructurales básicos en el sector del suministro de energía eléctrica

Dos importantes tendencias han provocado un cambio trascendental en el sector del suministro de energía eléctrica desde principios desde los noventa. La primera de ellas es la liberalización del suministro de electricidad, visible en todo el mundo. Esto ha llevado a separar la generación, suministro masivo y comercialización de la energía por un lado, y por el

Expansión de la energía eólica en Alemania (Fuente: Bundesverband Windenergie e. V.) 3500 3000

25000 nuevas instalaciones nuevas instalaciones

15000

2000 1500

10000

1000 5000 500 0

0 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

capacidad instalada en MW

nuevas instalaciones en MW

20000 2500

otro los sistemas de suministro y operación de sistemas. En consecuencia, la planificación de nuevas centrales eléctricas ya no está coordinada con la planificación de expansión de redes. Además, los operadores de sistemas han de responder a las exigencias de los generadores de energía en cuanto a la admisión de grupos o centrales en la red y en cuanto a la distribución de la carga. Sólo si peligra la estabilidad del sistema, los operadores de sistemas tendrán realmente la facultad de decidir. Finalmente, los operadores de sistemas disponen de información muy limitada sobre las centrales eléctricas de los generadores independientes. La segunda tendencia importante consiste en los esfuerzos para aumentar la eficiencia energética y reducir el uso de fuentes de energía primaria no renovables. A este respecto, las unidades de generación descentralizadas con generación combinada de calor y energía y las fuentes renovables de energía desempeñan un papel central en el sector del suministro de energía eléctrica. Estas últimas son, sin duda, fundamentales para cubrir sosteniblemente y garantizar a largo plazo la energía requerida internacionalmente. Estas energías, por tanto, tienen un lugar firme en la política energética de muchos países, que a menudo promueven su desarrollo. La energía eólica ha crecido espectacularmente en todo el mundo durante los últimos 15 años1). Sus ventajas están en la gran cantidad de energía primaria disponible (al menos en las zonas costeras) y en el hecho de que sus costes de generación la hacen más competitiva que otras formas de energía renovable. Hasta hace unos años, la energía eólica estaba en gran medida sin explotar, ya que su rendimiento económico era insuficiente. Sin embargo, en muchos países se ha promovido la energía eólica, consiguiéndose una potencia instalada, en todo el mundo, de más de 74.000 MW a finales de 2006. Sólo en Alemania, el país con mayor expansión hasta ahora, se han instalado hasta la fecha más de 20.000 MW 1 (la carga total Nota 1)

Véase también “Energía marina limpia” en la página 69 de este número.

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máxima en Alemania ascendió a casi 77.000 MW en el invierno de 2005/2006). En Alemania se produjeron 30,5 TWh de energía eléctrica en 2006, lo que corresponde al 5,1 % de la producción total. Estas dos tendencias tienen en común que los operadores de sistemas de suministro eléctrico tienen que considerar cada día más otros procesos imprevisibles, además de las fluctuaciones de la carga. Consecuencias de una gran proporción de capacidad de generación imprevisible

Característicamente, la energía eólica es inestable y depende de la ubicación geográfica: las buenas condiciones de viento suelen estar fuera de las zonas de concentración del consumo eléctrico. La selección del lugar apropiado para generar energía renovable de cualquier tipo se guía por la disponibilidad del suministro de energía primaria, especialmente si los costes por uso de la red no dependen del punto de alimentación. En Alemania, los convertidores de energía eólica están concentrados en los estados federales del norte 2 . En estas regiones la infraestructura de la red está generalmente menos desarrollada y por tanto no es idónea para manejar una gran capacidad de producción. Es necesario, por tanto, ampliar dicha infraestructura. En Alemania, además de los aproximadamente 20.000 MW instalados en tierra, existen parques eólicos marinos con una potencia global de unos 30.000 MW. En 3 se presenta la estimación actual de la nueva expansión. Según los cálculos del estudio de dena2) sobre los efectos de la expansión de la energía eólica en la red de transmisión alemana, para 2015 se requerirán más de 800 km adicionales de rutas de transmisión [1].

vertidores de energía eólica situados en tierra con condiciones típicas de viento sólo pueden proporcionar 10– 15 % de su potencia instalada con la disponibilidad habitual en centrales térmicas [3]. Esta cifra asciende a casi un 50 % para las turbinas marinas. El déficit de potencia ha de compensarse con las llamadas “centrales eléctricas en la sombra“, centrales de apoyo no eólicas.

pequeña posible. El tamaño de la banda depende de la magnitud de las fluctuaciones imprevisibles de carga en el sistema, la cual está determinaCuadro

Reserva para mantener el suministro de energía

Reserva de segundos es la reserva de generación a la que se puede acceder en cuestión de unos pocos segundos. Generalmente consiste en generadores funcionando

Gracias a este apoyo, la capacidad de generación instalada en redes en las que la potencia eólica crece escalonadamente, de forma regular, no provocará al principio problemas en los sistemas de suministro. Sin embargo se ha de adaptar la garantía de capacidad de reserva a corto y medio plazo. Al igual que en cualquier otro sistema de suministro, la carga y la generación han de mantenerse equilibradas básicamente en todo momento. En todos los sistemas de generación, una parte de la carga la llamada banda de equilibrio es cubierta por centrales eléctricas en régimen de carga parcial y, por tanto, pueden ajustar su potencia de salida tanto elevándola como reduciéndola en muy poco tiempo Cuadro . Puesto que estas centrales eléctricas de compensación necesitan equipos complementarios de ingeniería de control y, además, su capacidad instalada no se aprovecha totalmente, la banda de equilibrio deberá mantenerse lo más 2

a carga parcial y cuya potencia de salida se puede aumentar o reducir. La reserva de segundos se usa principalmente para el control de frecuencia. Reserva de minutos (también conocida como reserva en caliente o reserva giratoria disponible) es el siguiente nivel de reserva. Una generación imprevista, un fallo de transmisión o una fluctuación de la carga es absorbida inicialmente por la banda de control de la reserva de segundos. Para liberar esta reserva, la generación se conmuta a otras fuentes en un período de minutos (las normas UCTE, por ejemplo, exigen que la reserva de minutos libere la reserva de segundos en menos de 15 minutos). La reserva de minutos suele tener la forma de estaciones de almacenaje y turbinas de gas (puestas en marcha con este fin) y centrales térmicas funcionando por debajo de la máxima potencia. Reserva de horas (también conocida como reserva en frío o de emergencia) es el siguiente nivel de reserva y consiste generalmente en centrales eléctricas que han de ser puestas en marcha a tal efecto.

Paisaje en Mecklenburg, Vorpommern (Alemania): la baja densidad de población y la escasa industria en estas regiones implican una debilidad tradicional de la red eléctrica.

Sin embargo, una alta proporción de energía eólica en la generación no sólo conlleva nuevos requisitos para la red de transmisión, sino también para el resto del sistema de generación. En primer lugar se debe considerar la capacidad instalada: los conNota 2)

dena: Deutsche Energie Agentur, agencia alemana para la eficiencia energética

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da por la propia carga y por la capacidad de la unidad de generación mayor (una avería de ésta ha de poder compensar el sistema en cualquier momento). En un sistema de red eléctrica, por ejemplo el sistema UCTE3) europeo, existen requisitos obligatorios sobre el tamaño de la banda de equilibrio y la velocidad de variación de la potencia que han de proporcionar las centrales eléctricas de compensación. Un sistema en el cual la generación de energía eólica puede fluctuar durante breve tiempo entre cero y la cobertura casi completa de la carga (como es el caso del norte de Alemania o de Dinamarca) tendrá unos requisitos de reserva más estrictos que un sistema puramente térmico, en el cual la unidad más grande representa a lo sumo un pequeño porcentaje de la carga máxima y la carga misma es conocida y predecible. Las primeras experiencias en el norte de Alemania, con métodos de predicción de la generación de energía eólica claramente mejorables, dio como resultado una necesidad media de reserva durante minutos del 25 % de la potencia eólica instalada [2]. Esta situación exigirá adecuar los requisitos de UCTE al equilibrio del sistema. Así lo confirman las investigaciones del estudio de dena sobre la red [1], según el cual, un cortocircuito en la red de distribución de muy alta tensión del norte de Alemania, en condiciones de vientos fuertes, podría provocar un fallo de generación un orden de magnitud mayor que la capacidad alternativa de reserva prescrita en la UCTE.

La gran avería que tuvo lugar en la UCTE el 4 de noviembre de 2006 muestra que el sistema de red europea ya tiene una considerable capacidad de generación imprevisible, que influye en la gestión del sistema. El informe de la UCTE sobre este fallo [4], en el cual se dividió la red UCTE en tres islas asíncronas, documenta en primer lugar que, después de la avería, los convertidores de energía eólica del norte de Alemania se desconectaron automáticamente sin coordinación alguna con los operadores del sistema. Aunque esta avería, especial y muy importante, contribuyó a estabilizar el sistema (puesto que los convertidores de energía eólica estaban situados en una región con frecuencia superior a la normal, es decir, con generación excedente), también podría haber ocurrido lo contrario. En segundo lugar, el informe señala que la recuperación de la red síncrona se vio obstaculizada por el carácter descentralizado de la generación, ya que el operador conocía poco la naturaleza del sistema y no podía influir en el mismo. Esto evidencia que los requisitos básicos de gestión del sistema han cambiado notablemente y que las herramientas correspondientes también han de adaptarse. Soluciones técnicas para el diseño de sistemas de suministro del futuro Nuevas opciones para redes de transmisión

Una alta proporción de fuentes renovables de energía y los cambios sufridos por el negocio de la electricidad

Nueva expansión prevista de la capacidad de energía eólica en Alemania (fuente: http://www.deutsche-windindustrie.de)

3

6000

Salida inst./año en MW

5000 4000 3000 2000 1000

obligan a asumir nuevas tareas sobre la red de transmisión, diferentes a las que plantean los sistemas con equilibrio local de carga y generación. Las demandas de transporte y de potencia reactiva son superiores a las de los sistemas convencionales. Existen varias posibilidades para reforzar la red: En primer lugar, hay que considerar la posibilidad de añadir nuevas líneas. Sin embargo, esta opción suele necesitar mucho tiempo y su implantación resulta difícil. Por tanto, una buena opción es aprovechar mejor la capacidad de las líneas y rutas existentes. Además es posible aumentar la tensión de funcionamiento, la sección transversal de la línea o la temperatura de operación de las líneas trifásicas existentes4). La concentración espacial propia de la generación de energía eólica mar adentro requerirá en muchos casos un transporte permanente a gran escala. Esta situación ya es previsible en Alemania. La cuestión es si reforzar la red de 400 kV, que fue construida básicamente como reserva, es realmente el método adecuado para este propósito, o si sería preferible construir una red superpuesta exclusivamente para esta labor de transporte. Es concebible una red como ésta, con una tensión más alta, aplicando tecnología de corriente trifásica o utilizando transmisión CC de alta tensión (HVDC). Esta solución, que tiene las mismas necesidades de espacio, permite transmitir mayores potencias, con la ventaja de que no necesita potencia reactiva. Si se proporcionan convertidores HVDC basados en IGBT, de conmutación automática, éstos pueden proporcionar, además del transporte, un soporte rápido y continuo de potencia reactiva para la red local 4 . Esta opción es especialmente interesante en zonas con alta generación de energía eólica; como ya se ha dicho más arriba, la estructura de redes en estas zonas suelen ser débil. Notas 3)

0

UCTE: Unión para la Coordinación de la Transmisión de Electricidad, asociación de operadores de

1990

En tierra

1995

2000

2005

Repowering en tierra

2010

2015

Alta mar

2220

2025

2030

Repowering en alta mar

sistemas de transmisión en la Europa continental 4)

Véase también “Energía para la eficiencia” en la página 14 de este número de Revista ABB

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ABB ha suministrado instalaciones con esta tecnología bajo el nombre HVDC LightTM desde 1997 y actualmente está en disposición de entregar sistemas de hasta 1.100 MW de potencia.

trar vectores de corriente y tensión con alta resolución temporal. Con la sincronización de tiempo en todo el sistema por medio de GPS 5 se puede obtener una imagen muy precisa del estado dinámico del sistema, muy útil para gestionar la red.

Los sistemas de energía eléctrica del futuro se caracterizarán por una elevada proporción de fuentes renovables de energía, por una generación descentralizada, determinada externamente, y con gran frecuencia por un sistema de negocio eléctrico muy desarrollado.

Los campos de aplicación de este nuevo género de información abarcan desde la observación precisa de zonas adyacentes de la red –especialmente si contienen elementos que afectan al flujo de la carga, tales como los transformadores de desplazamiento de fase, los FACTS o las líneas HVDC– hasta la supervisión continua de estados críticos del sistema y la identificación de partes de la red cuya frecuencia deja de ser síncrona. En los primeros momentos de la importante avería del 4 de noviembre de 2006, que provocó la división de la red UCTE en tres subredes, las estaciones de control no detectaron la existencia de estas islas. Básicamente, se puede suponer que en una red de transmisión con mayor carga de transporte la probabilidad de que se presenten situaciones críticas como la del 4 de noviembre de 2006 será mayor. Para las estaciones de control de la res será conveniente y necesario disponer de más información.

La capacidad de la tecnología HVDC de conmutación automática para actuar en cualquier punto del diagrama PQ y también, especialmente, en el punto cero 4b , combinada con la ventaja fundamental del transporte sin potencia reactiva, hace que esta tecnología resulte ideal para la conexión de los parques eólicos marinos previstos. A este respecto, a menudo convendrá no establecer la conexión directamente en la costa, sino extender las líneas HVDC hasta determinados nodos de alto rendimiento de la red de transmisión. Esta solución podría armonizar fácilmente con el concepto de red superpuesta para transporte eléctrico masivo. Más transparencia para la gestión del sistema

La transmisión de potencia y las rápidas variaciones del flujo de carga durante las fluctuaciones del suministro desde fuentes renovables, obligan a las redes de transmisión a asumir demandas mayores. A este respecto puede ser una gran ayuda para la gestión de la red disponer oportunamente de información detallada sobre el estado de la red, que puede ser proporcionada por sistemas innovadores de supervisión de gran amplitud [5]. Con instrumentos descentralizados de medición se pueden regisRevista ABB 2/2007

Reto para las centrales térmicas

serva de minutos Cuadro y es especialmente relevante en sistemas en los que se usan centrales eléctricas de carbón para el equilibrio. El uso de instrumentación moderna y de sistemas de control avanzado en las centrales térmicas existentes ofrece un considerable potencial de mejora con un esfuerzo relativamente bajo. La implementación de características operativas optimizadas y basadas en modelos para la turbina y la caldera de centrales termoeléctricas, como las proporcionadas en los sistemas MODAN y MODAKOND de ABB, conduce a un funcionamiento más suave y uniforme, de baja fatiga, y a una reducción de varios puntos porcentuales de la demanda auxiliar. Durante el funcionamiento en estrangulamiento, importante para la provisión de reserva de segundos, se pudieron constatar aumentos de eficiencia de hasta un 0,48 %. Este aumento se debe básicamente a que la velocidad de variación de potencia requerida para equilibrar el sistema se obtiene con un mínimo estrangulamiento del vapor de la turbina. Estas mejoras, que permiten conseguir resultados significativamente superiores a los exigidos por UCTE, son aún más importantes en sistemas con gran proporción de fuentes renovables, en los cuales el resto del sistema de generación es correspondientemente inestable.

Una gran proporción de generación de energía eólica supone una necesidad mayor de ingeniería de control para el subsistema de generación independiente del suministro. Esto concierne tanto a la capacidad de reserva primaria y secundaria como a la re-

En vista de las incertidumbres propias de la energía eólica, la provisión de reserva de minutos es especialmente importante. La modernización de las centrales eléctricas existentes puede ser necesaria técnicamente para que

4

Diagrama PQ de una instalación HVDC tradicional a y de HVDC LightTM autoconmutada b ; HVDC LightTM puede controlar de forma continua y con gran rapidez cada punto de los cuatro cuadrantes.

a

b

Q

Q

Filtro Convertidor P

-1.0

HVDC Classic

1.0

total

P

-1.0

HVDC LightTM

1.0

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Sistema de supervisión de gran amplitud con unidades sincronizadas de medición de fasores [5]

el sistema funcione fiablemente, pero también es una oportunidad comercial para los operadores de las centrales, ya que la capacidad de reserva es un producto de alta calidad en los mercados eléctricos liberalizados. La modernización sistemática de la instrumentación y el control ofrece a menudo un gran potencial. En un caso determinado se logró un aumento de la tasa de variación de la potencia de 2 MW/min a 50 MW/min y un aumento de la precisión del control de +/–5 a +/–0,5 % por medio de la modernización coordinada de turbina, caldera y sistema de control de la unidad. Desde su modernización, la central eléctrica en cuestión puede, además, participar en el equilibrio primario y secundario. Perspectivas

Los sistemas de energía eléctrica del futuro se caracterizarán por una elevada proporción de fuentes renovables de energía, por una generación descentralizada, determinada externamente, y con gran frecuencia por un sistema de negocio eléctrico muy desarrollado. Esto significa que los subsistemas de generación y las redes de transmisión convencionales tendrán que satisfacer nuevos requisitos, ya que las instalaciones de generación dependen de la ubicación geográfica, el suministro de energía primaria suele ser inestable y bastante imprevisible y, además, no se dispone de suficiente información sobre el comportamiento de unidades de generación descentralizadas y hay que contar con 38

El viento es una fuente de energía abundantemente disponible, aunque volátil.

la influencia del negocio de la electricidad. A este respecto es muy importante el aumento de la cantidad de procesos en el sistema de suministro eléctrico que no pueden ser planificados o sobre los cuales no puede influir el operador del sistema. En el pasado, lo esencial era la carga, de modo que la gestión del sistema dirigía todo su funcionamiento en función de la carga. Muy pronto habrá que considerar y armonizar entre sí un gran número de procesos para poder seguir contando con un suministro seguro, fiable y económico de energía eléctrica, el fundamento de una sociedad industrial. Ya se dispone de soluciones para muchos de estos aspectos. Algunos ejemplos de ello son los mayores requisitos de ingeniería de control de las centrales eléctricas convencionales, el aumento de la capacidad de transporte de las redes de transmisión

y la mejora de la información sobre el estado del sistema. El principal reto durante los años próximos será, por tanto, seleccionar las soluciones correctas desde un profundo conocimiento del sistema e integrarlas puntualmente en los sistemas de suministro.

Jochen Kreusel Marketing and technology power divisions, ABB AG Mannheim, Alemania [email protected]

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