Conexiones 365

Más renovables (y no menos) contribuyen a la estabilidad del sistema eléctrico

2020-08-07 Conexiones 365
Más energía solar y eólica se requieren

Fotos de la American Public Power Association en Unsplash

A pesar de que las energías renovables son la segunda fuente de energía eléctrica más importante a nivel mundial, hay quienes aún las cuestionan creyendo o alimentando, para su conveniencia, mitos en torno a ellas. Un ejemplo de estos mitos radica en la confiabilidad de estos sistemas dentro de la red eléctrica, por lo que recurrimos a un estudio del Laboratorio Nacional de Energías Renovables de los Estados Unidos (NREL) para documentar la verdad detrás de estas percepciones equivocadas.

 

Las energías eólica y solar poseen por naturaleza mayor variabilidad que las tradicionales plantas térmicas e hidroeléctricas que a lo largo de la historia han proporcionado la mayor parte de la energía suministrada a la red eléctrica. Las características únicas de las energías renovables variables (ERV) han resultado en muchas percepciones erróneas con respecto a su contribución a una red eléctrica confiable y de bajo costo. Las áreas comunes de preocupación incluyen:

  1. La necesidad potencial de contar con mayores reservas operativas
  2. Necesidad potencial de un incremento en la capacidad de respaldo
  3. El impacto de la variabilidad y la incertidumbre en los costos operativos y las emisiones contaminantes de las plantas térmicas
  4. Los límites técnicos de la penetración de las ERV para mantener la estabilidad y confiabilidad de la red

 

EÓLICA Y SOLAR Y EL PAPEL DE LAS RESERVAS OPERATIVAS

Los cambios en las prácticas operativas para acceder a la flexibilidad del sistema eléctrico existente son típicamente suficientes para manejar niveles moderados de energías renovables variables.

La producción de energía solar y eólica son variables con el tiempo, debido a condiciones climáticas y a la rotación de la Tierra. Se ha considerado tradicionalmente que estas energías son inciertas porque no se puede predecir su producción con una precisión absoluta.

Sin embargo, aumentar la cantidad de activos eólicos y solares disminuye la variabilidad y reduce la necesidad de contar con reservas adicionales.

La energía que entrega un solo panel fotovoltaico o una turbina eólica pueden cambiar en segundos cuando pasan las nubes o deja de soplar el viento en un punto determinado, pero si se agregan más recursos dispersos geográficamente, es posible disminuir el impacto de la variabilidad en todo el sistema. En general, la variabilidad relativa del viento y la irradiación solar disminuye en la medida en la que se combinen más plantas de generación eólicas y solares. De hecho, ya desde aproximadamente un lustro, los operadores en los Estados Unidos tuvieron poca necesidad de aumentar los requerimientos de reservas con la penetración eólica con la que se contaba entonces, e incluso con una penetración eólica significativamente mayor los incrementos han sido muy modestos, de acuerdo con diversos estudios.

Ahora bien, existen nuevas tecnologías y técnicas que ayudan a tener predicciones de generación más precisas e incluso contribuyen a reducir la necesidad de contar con sistemas que mantengan reservas.

Las reservas rodantes (es decir, la capacidad energética adicional que proporcionan generadores conectados a la red y que puede estar disponible de forma inmediata ante una disminución de frecuencia del sistema[1]) se emplean tradicionalmente para compensar por fallas en las plantas de generación (reservas de contingencia) y variaciones aleatorias en la demanda (reservas de regulación). Es posible que se requieran mayores reservas para responder a reducciones imprevistas en la energía de centrales eólicas o solares, pero la cantidad de reservas adicionales que se requieren depende en gran medida de la capacidad para hacer predicciones de viento e irradiación solar en múltiples periodos de tiempo. 

La precisión con la que han aumentado las predicciones en torno al viento a mejorado a partir de nuevos modelos de predicción numérica y aproximaciones estadísticas. Para una sola planta eólica, las estimaciones de una o dos horas en adelanto ahora tienen márgenes de error muy pequeños, de entre 5 y 7% respecto a la capacidad eólica instalada. Para predicciones de día en adelanto, esto puede aumentar hasta un 20%.

Utilizar la flexibilidad inherente al sistema eléctrico ayuda a mitigar los modestos impactos de las renovables.

Aunque las tasas de incremento de las energías eólica y solar agregadas aún pueden ser significativas, los sistemas de energía (incluso antes del desarrollo de las tecnologías de energía renovable variable) a menudo se diseñan para manejar una variabilidad significativa en las cargas. Los patrones de demanda normal varían de forma significativa con base en la hora del día y la estación del año, y la mayoría de los sistemas eléctricos incluyen diversos tipos de generación, incluyendo aquellos que fueron diseñados en primera instancia para cambiar la salida y hacerla cíclica. Como resultado de ello, los operadores de la red en la actualidad han observado impactos modestos en los requerimientos de reserva.

Los planificadores (del sistema) también han encontrado que gran parte del requerimiento de la reserva adicional es una reserva flexible de mayor duración, gran parte de la cual puede lograrse a un menor costo con generadores no rodantes (offline) que puedan iniciar rápidamente.

 

ENERGÍAS EÓLICA Y SOLAR Y EL PAPEL DE LA CAPACIDAD DE RESPALDO

En sistemas confiables y suficientes, la generación de energía eólica y solar no requieren “respaldo”.

Existen dos usos comunes del término respaldo aplicado a las energías eólica y solar. El primero de ellos es el respaldo usado para referirse a la variabilidad de éstas. Como se argumentó previamente, la variabilidad y la incertidumbre del viento y la irradiación solar podrían aumentar los requerimientos de reservas. La mejor manera de enfrentar esta variabilidad es al nivel del sistema, y el uso de plantas de respaldo para generadores eólicos o solares individuales es económicamente ineficiente. Más aún, los estudios y las prácticas operativas han encontrado que la existencia de plantas convencionales que reducen su salida para acomodar a la eólica y solar típicamente pueden proporcionar las reservas necesarias para acomodar la variabilidad adicional. Esto significa que en un sistema eléctrico confiable (uno que satisface sus requerimientos de planeación y reservas operativas), la adición de energías eólica y solar no requiere capacidad de generación adicional para acomodar la variabilidad de estas energías.

El segundo uso del término respaldo se aplica al valor de capacidad limitado de la eólica y solar, pero este aspecto se abordará posteriormente en otro artículo, pues no representa tampoco un obstáculo pero vale la pena explorarlo con mayor amplitud.

 

LOS BENEFICIOS DE LAS ENERGÍAS EÓLICA Y SOLAR SUPERAN LOS COSTOS DE LOS CICLOS DE PLANTA Y SUS EMISIONES.

Las energías renovables variables pueden integrarse en los sistemas eléctricos sin impactos adversos en los costos del sistema y las emisiones.

Cuando existe una penetración significativa de energías renovables variables, el incremento en la variabilidad y la incertidumbre en el sistema eléctrico puede influir en la operación de las plantas eléctricas convencionales, las cuales pueden tener que variar su salida de manera más significativa y frecuente (es decir, su ciclo) para equilibrar la demanda. Estos ciclos aumentan del desgaste de las plantas, y la operación de plantas térmicas con una salida parcial de energía disminuye la eficiencia de los combustibles.

Aún con este aumento en los ciclos, estudios recientes han mostrado que las energías renovables variables pueden integrarse en los sistemas eléctricos sin tener impactos adversos en los costos de los sistemas o emisiones. Por ejemplo, un estudio de escenarios de alta penetración de renovables en el oeste de los Estados Unidos mostró que un menor costo de combustibles (producido por usar menos combustibles) supera por mucho los incrementos en los ciclos de planta, además de reducir en alrededor de un 30% las emisiones de CO2 (el estudio muestra que el impacto del aumento de los ciclos en las emisiones fue insignificante).  

 

CONFIABILIDAD Y LÍMITES TÉCNICOS A LA PENETRACIÓN DE ENERGÍAS SOLAR Y EÓLICA

La energía eólica y solar fotovoltaica pueden proporcionar un gran porcentaje de la energía de un sistema sin reducir su confiabilidad.

Los operadores de las redes de transmisión y distribución a nivel mundial se han vuelto cada vez más hábiles para integrar grandes cantidades de energías renovables variables sin comprometer la confiabilidad.

La inercia y la respuesta en frecuencia primaria contribuyen a la confiabilidad de la red, las cuales suelen ser proporcionadas por los generadores térmicos convencionales, que ayudan a mantener una red estable en momentos de perturbaciones y también en condiciones normales. El viento y la energía solar no proveen estos servicios de manera convencional. Sin embargo, las modernas plantas eólicas y algunas plantas solares tienen ahora la capacidad de prestar servicios de control activo de la energía, incluida la inercia sintética, la respuesta de frecuencia primaria y el control automático de la generación (también llamado respuesta de frecuencia secundaria). Los estudios y la experiencia operativa reciente han demostrado que, al proporcionar control activo de la energía, la eólica y la solar pueden proporcionar una fracción muy grande de la energía de un sistema sin que se reduzca su fiabilidad.

 

Fuente:
(traducción y adaptación)

Denholm, P. and J. Cochran, Wind and Solar on the Power Grid: Myths and Misperceptions, National Renewable Energy Laboratory (May 2015).

 

[1] http://diccionario.raing.es/es/lema/reserva-rodante. El CENACE define como reserva rodante a la capacidad en MW de Centrales Eléctricas o Recursos de Demanda Controlable sincronizados a la red eléctrica para incrementar su generación o reducir su consumo dentro de un lapso establecido (en “Metodología para el cálculo de los requerimientos de reserva de regulación y reserva rodante en el Sistema Interconectado Nacional”, enero 2016)

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