1.- Introducción
La energía eléctrica está estrechamente relacionada con el avance tecnológico de la humanidad. Sin ella, no existirían los servicios que definen muchas de las amenidades de la vida moderna. Para compartir los beneficios que confiere la electricidad es importante que el servicio eléctrico sea asequible y que se provea con el mínimo impacto ambiental y social posible. Tradicionalmente, la energía eléctrica se “genera[1]” en centrales eléctrica de gran tamaño (con capacidades de algunas decenas de megavatios (MW) a varios gigavatios (GW)) y se conduce hacia los centros de consumo a través de la red de transmisión y las redes de distribución. Existen diferentes posibles diseños para la red de transmisión. De manera tradicional, se busca colocar las centrales eléctricas cerca de los centros de consumo importantes, o en su defecto, cerca de sitios con un alto recurso primario, como en el caso de las hidroeléctricas y las centrales geotérmicas. En el caso de centrales que queman combustibles fósiles la necesidad de una infraestructura de transmisión eléctrica se tiene que balancear contra la necesidad de transportar los combustibles, por lo cual el emplazamiento óptimo no es evidente. En cualquiera de los casos, es inevitable que se tengan que balancear los excedentes y faltantes de la generación eléctrica a través de flujos de potencia en la red de transmisión. En el caso ideal, la red de transmisión hace posible compartir cualquier recurso a lo largo de toda una red interconectada, incluyendo no solamente determinadas cantidades de energía, sino también servicios eléctricos como potencia o capacidad, y servicios de regulación. En una red con infraestructura insuficiente existe la tendencia hacia la fragmentación, haciendo la operación del sistema eléctrico menos eficiente y más propenso a eventos de inestabilidad.
2.- Confiabilidad
Un criterio de diseño importante para las redes eléctricas es la confiabilidad[2]. Dado que el significado de “confiabilidad” en los sistemas eléctricos de potencia (SEP) discrepa algo del uso coloquial de la palabra es importante aclarar que en los SEP “confiabilidad” se entiende, de manera simplificada, como las dos siguientes características: (1) La habilidad de satisfacer la demanda de los usuarios en todo momento y (2) la capacidad de sobrellevar disturbios sin mayores disrupciones del servicio eléctrico. Para ambas características es importante contar con una red de transmisión diseñada, construida y mantenida adecuadamente.
3.- Electricidad y descarbonización
Mientras que el diseño tradicional de los sistemas eléctricos se basa principalmente en los criterios de (a) mínimo costo del servicio eléctrico y (b) máxima confiabilidad, en años y décadas recientes se ha impuesto la necesidad de considerar (1) el impacto en la generación eléctrica en el Cambio Climático y (2) las emisiones perjudiciales a la calidad del aire y del agua. En el caso de las tecnologías renovables predominantes hoy en día, la energía eólica a gran escala y la energía solar fotovoltaica, hay una convergencia entre mínimo costo y mínimas emisiones, facilitando la optimización económica y ecológica del servicio eléctrico.
4.- Congestión y los Precios Marginales Locales
La insuficiencia de la red de transmisión o parte de ella se puede medir de diferentes formas, siendo la aparición de “congestión” la evidencia más concurrida. En un mercado eléctrico como el mexicano existe el concepto del Precio Marginal Local (PML), el cual a través de su componente de congestión diferencia entre los costos de la electricidad de mayoreo en diferentes partes de la red. Por diseño, diferencias en el PML apuntan a necesidades de inversiones en infraestructura de transmisión. Como se puede apreciar en la Figura 1 existen diferencias muy importantes en los PML a lo largo del sistema eléctrico mexicano, apuntando a oportunidades importantes para la modernización de la Red Nacional de Transmisión (RNT).
Figura 1. Mapa de los Precios Marginales Locales para el Sistema Interconectado Nacional (SIN)en 2023. Fuente: Elaboración propia con datos del CENACE (sección pública del Mercado Eléctrico Mayorista).
5.- Estrategias convencionales y avanzadas para aumentar la capacidad de transferencia en redes de transmisión
Cualquier estrategia eficiente de modernización y ampliación de la red eléctrica debe considerar el criterio del flujo libre de la potencia eléctrica y servicios asociados entre las centrales eléctricas y los centros de consumo, tanto en operación normal como en el caso de contingencias. Para ello, resulta generalmente conveniente contar con (1) una red troncal con alta capacidad de transferencia a grandes distancias, (2) un malleo fino de la red para proveer redundancias en el flujo de la potencia, (3) capacidad de transformación suficiente y (4) esquemas de protección adecuados. Mientras que los puntos (3) y (4) se pueden resolver mediante obras locales, la construcción de líneas de transmisión nuevas, sobre todo cuando se trata de largas distancias, representa un desafío en muchos países, pero en particular en un país con una alta densidad de la población en ciertas zonas, conflictos de tierra y retos en seguridad.
Figura 2. Línea de transmisión equipada con conductores convencionales (lado derecho) y conductores de alto desempeño (lado izquierdo). Se puede apreciar la reducción en la catenaria (“flecha”) de los conductores avanzados. Cortesía de CTC Global.
Para dar solución a estos puntos, en un plazo corto y con costos bajos, ha surgido en las últimas décadas una serie de soluciones tecnológicas avanzadas que hoy por hoy están disponibles para la modernización de la red eléctrica mexicana. Dichas soluciones se conocen como “tecnologías habilitadoras de la red[3]”y se pueden dividir en tres grandes categorías: (1) Alternativas para líneas de transmisión comparativamente cortas, típicamente hasta 100 km, donde el límite térmico de los conductores de transmisión es el factor limitante, (2) tecnologías para manipular la reactancia de una línea de transmisión, en particular la reactancia en serie que determina la capacidad de transferencia por estabilidad angular, y (3) soluciones para cambiar dinámicamente la topología de la red. En la Figura 2 se muestra una comparación entre las catenarias de dos circuitos de transmisión en condiciones similares, uno equipado con conductores tradicionales (ACSR, lado derecho) y uno con un conductor avanzado (ACCC, lado izquierdo). Se puede apreciar que el conductor avanzado muestra una catenaria mucho más recta, con menor “flecha”, dejando un claro mucho más grande hacia el suelo. Esto abre la puerta a operar líneas de transmisión cuyo flujo de potencia está limitado por su flecha con corrientes mucho más altos, lo cual en muchas ocasiones resuelve totalmente la congestión preexistente, si se cambia el conductor viejo por uno nuevo. Dependiendo de la longitud de la línea y las licencias otorgadas por el CENACE el proceso de reconducción o “recalibración” puede tomar entre una y varias semanas, una medida prácticamente inmediata comparado con la alternativa de una línea nueva.
Figura 3. Prototipo de un sistema DLR (Dynamic Line Rating) desarrollado por estudiantes de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería en el Tecnológico de Monterrey. Fuente: Elaboración propia.
Mientras que en líneas que demandan un incremento importante en su capacidad de transferencia para dejar de estar congestionadas una recalibración mediante conductores avanzados es generalmente la mejor alternativa, líneas con un déficit más modesto podrían no requerir conductores nuevos. En este caso, la tecnología DLR (Dynamic Line Rating) permite determinar de manera horaria o con mayor resolución la capacidad real de conducción de la línea, monitoreando la flecha y ciertos parámetros ambientales. La Figura 3 muestra el ejemplo de un sistema prototipo desarrollado en el Tecnológico de Monterrey por tesistas de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería (MCI) el cual usa un sistema de visión y algoritmos de tratamiento de imagen para transmitir al usuario el valor actual de la flecha y otros parámetros. Existen ya varios proveedores comerciales que pueden ofrecer esta solución a CFE Transmisión u otros operadores de transmisión.
Aunque los dos ejemplos anteriores aplican solamente a líneas con longitudes menores a 100km, también existen alternativas para líneas cuyo límite de transferencia está dictado por consideraciones de voltaje y de estabilidad angular. Un ejemplo son los SSSC (Compensadores Estáticos Sincrónicos en Serie), dispositivos construidos con electrónica de potencia que permiten insertar un voltaje con un desfasamiento de 90° relativo a la corriente de línea, manipulando así la reactancia aparente de la línea e incrementando la capacidad de transferencia. SSSC modulares (M-SSSC) pueden instalarse directamente sobre una línea existente, proveyendo mucha flexibilidad para la reconfiguración de la red. Otro enfoque está en el cambio de la topología de la red guiado por el uso de software especializado, el cual permite generar recomendaciones para el cierre o la apertura de interruptores en subestaciones y así asegurar un reparto más homogéneo de los flujos de potencia entre las líneas de transmisión disponibles. Evidentemente, esta estrategia sólo funciona si existe una cierta capacidad de transmisión ociosa, no en una red donde la mayoría de los corredores ya se encuentran saturados.
6.- Conclusiones
Una red de transmisión adecuada es un requisito indispensable para poder garantizar el libre flujo de potencia entre las centrales eléctricas y los centros de consumos y así asegurar que la energía eléctrica se genere al menor costo. También es necesaria para que todos los recursos del sistema, como la potencia (capacidad) y los servicios conexos estén disponibles en todo el sistema y que el sistema esté a prueba de contingencias. Por último, de manera especialmente importante, es necesario que la energía de centrales de energía renovable pueda aprovecharse al máximo, sin necesidad de desperdiciar cantidades de energía limpia por restricciones operativas.
En redes eléctricas con grandes rezagos puede resultar difícil lograr estos objetivos en un corto plazo y con el presupuesto disponible. Es aquí donde las tecnologías habilitadoras de la red permiten lograr grandes avances en tiempos muy cortos y con inversiones relativamente modestas. Es importante no desaprovechar esta oportunidad.
Notas:
[1] Es común en ingeniería hablar de “generación eléctrica”, cuando en un sentido física estricto la energía sólo se transforma. Usaremos esta convención.
[2] La Ley de la Industria Eléctrica (LIE) define Confiabilidad (con mayúscula) como la “Habilidad del Sistema Eléctrico Nacional para satisfacer la demanda eléctrica de los Usuarios Finales bajo condiciones de suficiencia y Seguridad de Despacho, conforme a los criterios respectivos que emita la CRE.”
[3] GridEnabling Technologies
*/ Dr. Oliver Probst, Profesor-investigador titular y director nacional, Maestría en Ciencias de la Ingeniería, Escuela de Ingeniería y Ciencias, Tecnológico de Monterrey.
Email: oprobst@tec.mx
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