Confiabilidad del servicio eléctrico: ¿Qué es y cómo influyen las energías renovables? Parte 1

Conceptos fundamentales

1.- Introducción

Como todo cambio tecnológico, la introducción a gran escala de las energías renovables en la red eléctrica requiere de modificaciones del sistema en el que inciden. De manera similar a la computadora personal en los años ochenta del siglo veinte, que vino a revolucionar la forma de preparar y archivar documentos, la internet a escala masiva a partir de la década de los noventas, que llegó para revolucionar la forma de comunicar y compartir información, y la inteligencia artificial que vino recientemente a irrumpir masivamente en la forma en la que se resume y distribuye el conocimiento, las energías renovables tienen el potencial de cambiar fundamentalmente la forma en la que aprovechamos la energía. A diferencia de los fenómenos mencionados, que nacieron y evolucionaron principalmente como estrategias de negocio, las energías renovables surgieron de la necesidad de combatir el cambio climático y la contaminación del aire, del agua y el suelo ocasionada por el uso masivo de las energías fósiles. Afortunadamente, la alta competitividad económica que ostentan hoy en días las energías renovables, sobre todo la energía eólica a gran escala y la solar fotovoltaica, permite que se pueda reconciliar el objetivo de la conservación del planeta con la factibilidad económica.

Sin embargo, a pesar de que la introducción masiva de la computadora personal, la internet y la inteligencia artificial se encontraron con el vitoreo amplio de las personas, empresas y gobiernos, dejando las consideraciones de sus posibles efectos negativos para los círculos de intelectuales, el entusiasmo para las energías renovables se ha visto afectado por amplios esfuerzos de detracción. Las razones de ello se pueden identificar, pero no serán objeto de esta nota. Bastará con observar que (1), por supuesto, existen retos en la integración masiva de las energías renovables en la red eléctrica y que (2) muchos de estos retos giran en torno al concepto de la confiabilidad del servicio eléctrico. Siendo “confiabilidad” una palabra coloquial, existe el inminente peligro de que su sentido técnico en el contexto de los sistemas eléctricos de potencia no se distinga debidamente de la intuición que las personas pudieran sentir al escuchar la palabra coloquial. Concretamente, se ha creado la impresión de que existiera una equivalencia entre “confiable” y “despachable” por un lado, y “no confiable” y “variable” por el otro. Esto es falso, por una serie de razones que se explicarán a detalle a lo largo de las diferentes piezas que conformarán esta miniserie sobre confiabilidad y energías renovables.

2.- Conceptos clave

Existen tres conceptos fundamentales que representan los pilares de la confiabilidad de los sistemas eléctricos de potencia [1], [2]: (a) La suficiencia (resource adequacy, en inglés), (b) la seguridad del despacho (operational reliability) y (c) la resiliencia.  Estos conceptos se aplican usualmente al subsistema conformado por los sectores de generación y de transmisión; de manera separada, se analiza la confiabilidad del sistema de distribución [3]. Suficiencia se refiere a la capacidad del sistema de satisfacer la demanda en cualquier hora del año, en particular en las horas más críticas. Estas se podrían identificar como las horas de máxima demanda, pero es más común y práctica actual en México determinarlas a partir de las mínimas reservas operativas, siendo estas últimas la diferencia entre la capacidad de generación efectivamente disponible (no la suma de las capacidades de placa de las centrales eléctricas del sistema) y la demanda.

Figura 1 Reservas operativas del escenario de planeación y sus horas más críticas vs. los valores correspondientes observados en el Mercado del Balance de Potencia; ambos conjuntos de datos corresponden al año 2024.

Garantizar la suficiencia es fundamentalmente un problema de planeación, ya que las centrales requeridas para satisfacer la demanda no se construyen de la noche a la mañana, sino requieren de períodos multianuales para planear, financiar y construirse. También resulta importante que las centrales reciban el mantenimiento preventivo y correctivo adecuado para estar disponibles cuando se requiera. Para asegurar el cumplimiento de ambos requisitos es importante que exista un incentivo económico para estar disponible en las horas más críticas. En México, se estableció el Mercado de Balance de Potencia (MBP) para proveer este incentivo. Sin embargo, en la práctica pueden existir discrepancias importantes entre el escenario de planeación y la realidad observada. Esto se ilustra en la Figura 1, donde se muestran las reservas operativas de planeación del Sistema Interconectado Nacional (SIN) para el 2024 [4] y las utilizadas para los fines del MBP [5]. Mientras que en el escenario de planeación las reservas mínimas se mantienen en el rango de 16,000 a 18,000 MW, las reservas reales tuvieron un promedio de apenas 525 MW y alcanzaron valores negativos en varias ocasiones. Esto significa que la capacidad de generación efectivamente disponible no alcanzó a cubrir toda la demanda requerida. En otras palabras, el SIN incumplió con el requisito de la suficiencia y por ende de la confiabilidad. Nótese la redacción: La suficiencia (y por lo tanto la confiablidad) no es una propiedad de una central eléctrica o de un Participante del Mercado (por más trivial que suene), sino del sistema eléctrico en cuestión.

El segundo pilar de la confiabilidad es la seguridad de despacho. Este concepto se refiere a la capacidad del sistema de sobrellevar una perturbación, típicamente una que resulta de una pérdida de generación, sea por un problema técnico en una central de generación o en algún elemento en la red de transmisión.  Operativamente, los procesos dedicados a asegurar la estabilidad del sistema se conocen como regulación (primaria y secundaria) de la frecuencia, dada la estrecha relación entre el balance de potencia activa del sistema y su frecuencia en sistemas eléctricos dominados por generadores sincrónicos con acoplamiento fijo a la red. También existe una relación similar entre el balance de potencia reactiva y el voltaje. La seguridad de despacho se considera de manera rutinaria en la operación de los mercados eléctricos (en México y en el mundo), dando pie el concepto del despacho económico restringido por seguridad. Esto significa que el operador del sistema debe evaluar si la asignación de las unidades de generación que resulta del despacho económico, es decir, el ordenamiento desde la unidad más barata hasta la más cara, es compatible con límites operativos de variables clave (como los voltajes nodales) en estado estable y transitorio. Si los estudios arrojan la posibilidad de que el sistema pudiera ser inestable ante una contingencia, entonces el despacho debe ser modificado, asignando una central no económica fuera de mérito o tomando alguna otra medida. De lo anterior se puede concluir que el despacho económico y la seguridad de despacho (entiéndase, la confiablidad) no son antónimos, como a veces se sugiere, sino conceptos complementarios que van de la mano.

El tercer pilar de la confiabilidad es la resiliencia, es decir, la capacidad del sistema de recuperarse después de una disrupción mayor, como la que pudiera ocurrir al paso de un huracán, una ola de incendios forestales u otros desastres naturales exacerbados por la acción humana. Dado el incremento substancial en la tasa e intensidad de tales eventos como producto del cambio climático, la resiliencia ha cobrado mayor interés en la investigación sobre la confiabilidad de los sistemas eléctricos de potencia.

3.- Impactos potenciales de las energías renovables

Las energías renovables de mayor importancia, la eólica y la solar fotovoltaica, tienen algunas características diferentes a las tecnologías tradicionales de generación. Por lo tanto, no es de sorprenderse que su integración implica ciertos cambios, y en ocasiones retos, en la operación del sistema. En primer lugar, tienden a tener un nivel de variabilidad mayor a las centrales convencionales, a veces mal llamado “intermitencia”. En segundo lugar, se basan en tecnología de inversores basados en electrónica de potencia, lo cual los distingue de las centrales tradicionales basadas en generadores sincrónicos cuya velocidad rotacional guarda una relación fija con la frecuencia eléctrica de la red. Y, por último, a diferencia de los generadores tradicionales que guardan una minúscula pero importante reserva de energía llamada “inercia”, las centrales solar fotovoltaicas de antemano no tienen inercia y los aerogeneradores requieren de un control electrónico para movilizar la inercia que ellos al igual que los generadores convencionales poseen.

La inercia debe su importancia y relativa fama al hecho que logra cerrar la brecha temporal que surge entre el inicio de una pérdida de generación y la respuesta de control de los generadores convencionales que proveen el servicio de la regulación primaria de la frecuencia. Esta respuesta tarda del orden de un segundo en actuar, lo cual dejaría en caída libre a la frecuencia del sistema en el ínter. La inercia de los mismos generadores logra amortiguar un poco esta caída, haciendo más fácil la recuperación y limitando la excursión de la frecuencia hacia abajo, es decir, manteniendo su valor mínimo (el “nadir”) dentro de los límites permitidos. Si se desplaza generación convencional mediante generación solar, entonces la inercia del sistema tiende a reducirse y las caídas de la frecuencia en el primer segundo se hacen más profundas. En el caso de la energía eólica la respuesta depende de si los aerogeneradores cuentan con un sistema de “inercia sintética” o no.

Como se puede ver de la descripción anterior, la inercia representa una muy pequeña cantidad de energía almacenada en el movimiento rotacional de los generadores que se moviliza de manera automática (pasiva) en el caso de un desbalance de potencia activa. La pregunta clave es entonces: ¿Es posible que la energía eólica y solar se puedan comportar de manera similar? La respuesta es un rotundo sí. Como se mostrará en otra pieza posterior, la inercia por unidad de los aerogeneradores es muy similar a la de los generadores convencionales, por lo cual parques eólicos equipados con inercia sintética pueden emular la respuesta de generadores convencionales. Las centrales fotovoltaicas de antemano no tienen inercia, pero la minúscula reserva energética requerida se puede realizar de diferentes maneras, sin necesariamente requerir de enormes bancos de baterías. Entre las opciones tecnológicamente disponibles están los supercapacitores [6] y los condensadores sincrónicos que pueden realizarse de manera costo efectiva convirtiendo centrales obsoletas [7]. Esto se ha propuesto para la reconversión de carboeléctricas obsoletas en Sudáfrica [8]. También es posible modificar el despacho en períodos críticos, por ejemplo, operando dos centrales convencionales cerca de su mínimo operativo en vez de una sola con el doble de generación. De esta forma, se duplica la inercia disponible sin necesidad de inversión adicional. El pequeño incremento de costo y emisiones debido a la operación menos favorable cerca del mínimo operativo se compensa con creces con el desplazamiento de la generación fósil por generación limpia.

¿Qué podemos decir de la variabilidad (“intermitencia”) de la generación eólica y solar? ¿Qué impacto tiene en la confiabilidad del sistema eléctrico y sus tres pilares? En esta ocasión me limitaré a sólo uno de ellos, la suficiencia; una discusión más exhaustiva se proveerá en una nota posterior. ¿Cómo cambia la suficiencia al agregar centrales eólicas y solares al sistema? Es fácil darse cuenta de que la suficiencia (y por ende la confiabilidad) sólo puede aumentar al agregar más centrales de generación al sistema, independientemente de que generan el cien por ciento del tiempo (lo cual ninguna central hace) o no. Tener centrales eólicas y solares disponibles aumenta la confiabilidad, no la disminuye.

Es interesante observar cómo se comporta la generación convencional a lo largo de un año. Como botón de muestra discutiremos brevemente el caso de la generación nucleoeléctrica de México en el año 2023 (Figura 2). Como se puede ver inmediatamente, la generación nuclear dista mucho de ser constante, como se esperaría de una central de “línea base”, es decir, una central que opera sin importar la demanda de cada hora. Lo más destacado es un período de aproximadamente dos meses, de mediados de septiembre a mediados de noviembre, durante el cual la central aparentemente operaba solamente con una de sus dos unidades. Sin embargo, durante todo el año hubo cambios bruscos (“intermitentes”), que resultaban en reducciones de la generación del orden del 25% por períodos de varias horas. Se puede ver que estos períodos continúan incluso después del período de paro parcial (el cual podría interpretarse como un mantenimiento mayor), aunque se logró mitigar la tendencia suave hacia debajo de la generación en los meses previos.

¿Dónde cae la nucleoeléctrica dentro de la clasificación centrales eléctricas? ¿Se puede considerar una central de línea base? ¿O sería más atinado considerarla como intermitente? Más importante aún, ¿cuál es el aporte de la generación nuclear a la confiabilidad del sistema? Las respuestas se dejan a la reflexión del lector.

Figura 2 Generación de la central nuclear Laguna Verde a lo largo del año 2023 (registros horarios). ¿Es la energía nuclear una fuente confiable, no confiable, despachable, variable o intermitente? Fuente: Elaboración propia con datos del CENACE [9].

4.- Resumen y conclusiones

La confiabilidad es un concepto importante para los sistemas eléctricos de potencia, con un significado técnico preciso. Es importante no confundirla con alguna intuición que se pudiera desprender del uso coloquial de la palabra. Confiabilidad en sistemas eléctricos implica la capacidad de satisfacer la demanda en todo intervalo horario a lo largo de un año (suficiencia), responder ante contingencias sin que se interrumpa el servicio (seguridad del despacho) y recuperarse rápidamente después de una disrupción del servicio (resiliencia). La confiabilidad es una propiedad del sistema, no de una central eléctrica en particular. Las energías renovables de generación variable, como la eólica y la solar, tienen algunas características que difieren de centrales convencionales, lo cual obliga a realizar cambios de paradigma en la operación del sistema eléctrico, sobre todo cuando se alcancen niveles de penetración altos. Sin embargo, esto no implica que la incorporación masiva de las energías renovables necesariamente reduzca la confiabilidad del sistema en términos de las métricas objetivas disponibles para su medición. Sí requiere de una disposición hacia el cambio. Aunque es humano resistirse al cambio, también se pierden oportunidades importantes al hacerlo. La recompensa de una actitud proactiva hacia la transición hacia las energías renovables será un país más limpio y con un costo significativamente menor de la energía. 

Referencias

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