Renovables, inercia y estabilidad de los sistemas eléctricos

Fuentes de energías renovables, inercia y estabilidad de los sistemas eléctricos de potencia

Jorge Guillermo Calderón Guizar* / para Energía a Debate

Los beneficios al medio ambiente que aporta la generación de energía eléctrica a través de fuentes de energías renovables o energía limpias esta fuera de discusión. Sin embargo, desde el punto de vista técnico la incorporación masiva de algunas de estas tecnologías, en concreto las identificadas como fuentes variables o intermitentes de energía, tienen efectos adversos en uno de los parámetros de los sistemas de potencia que es de gran importancia para una operación confiable, adecuada y estable del sistema de potencia. El parámetro al que se hace referencia anteriormente es la inercia del sistema.

La inercia de un objeto es la característica o propiedad inherente de éste a no modificar su condición de reposo o movimiento. En objetos rotatorios, como es el caso de los generadores síncronos, el término inercia esta asociado con su momento de inercia, el cual a su vez esta estrechamente ligado con la energía cinética que por la acción de rotación adquiere el objeto.

En los sistemas eléctricos de potencia actuales, la inercia es un parámetro importante para mantenerse en sincronismo a lo largo de su operación diaria, ya que la energía cinética almacenada en los rotores de los generadores síncronos ante la ocurrencia de desbalances repentinos entre la demanda y generación del sistema debido a variaciones significativas en la generación o en la demanda, es el primer mecanismo para mitigar las variaciones en la frecuencia del sistema que estos desbalances suelen causar. En el caso de pérdida de generación, parte de la energía cinética almacenada en los rotores de los generadores síncronos es liberada con el propósito de mantener el balance instantáneo entre la demanda y la generación del sistema, lo cual provoca una reducción de la velocidad de los rotores y en consecuencia de la frecuencia del sistema, a este fenómeno que se presenta los generadores sincrónos del sistema se le conoce como respuesta inercial del sistema. Es esta respuesta la que define la rápidez de cambio de la frecuencia del sistema (RoCoF por sus siglas en inglés) así como la máxima caída en el valor de de la frecuencia del sistema ante la ocurrencia del evento. Puesto que la cantidad de generadores sincrónos interconectados al sistema varía tanto a lo largo del día como de la semana y del año dar seguimiento al pronóstico de la demanda de manera económica y confiable, resulta evidente que la energía cinética total del sistema no es constante y en consecuencia la respuesta inercial del sistema es variable y dependiente del escenario operativo (demanda alta, demanda media o demanda baja).

En años recientes, a nivel mundial la inyección de energía eléctrica proveniente de fuentes de energías renovables a los sistemas de potencia, principalmente centrales eólicas y fotovoltaícas, se ha incrementado de manera sustancial y se prevé que esta tendencia continúe por el beneficio que aportan al medio ambiente, como lo es la reducción de emisiones de CO2 al reducir el uso de combustibles fosiles, para generar la energía eléctrica necesaria para satisfacer el constante incremento de la demanada a nivel mundial.

Una característica de las centrales fotovoltaícas es que éstas no poseen inercia rotatoria alguna, mientras que las centrales eólicas, a pesar de poseer masas rotatorias, su interconexión al sistema de transmisión se hace a través convertidores/inversores electrónicos, lo cual provoca un desacoplamiento de manera total o parcial de la inercia de dichas masas rotatorias con el sistema de potencia. A partir de las características antes mencionadas resulta evidente que este tipo de tecnologías denominadas como fuentes variables o intermitentes de generación de energía no contribuyen en la respuesta inercial del sistema.  Una de las consecuencias de sustituir fuentes de generación convencional (generadores síncronos), lo cual puede obedecer al resultado de una asignación de unidades para hacer frente a la curva de demanada diaria, semanal, etc., o bien al retiro definitivo de unidades de generación a base de combustibles fósiles del parque de generación, es la reducción de la inercia total del sistema. Esto provoca a su vez un incremento en la rápidez de cambio de la frecuencia (RoCoF) y una reducción en la magnitud del mínimo valor que alcanza la frecuencia antes de iniciar su recuperación, lo cual equivale a tener un sistema menos robusto para hacer frente a grandes desbalances súbitos entre la generación y demanda.

Las siguientes figuras muestran de manera gráfica la disminución de la inercia (reducción en su capacidad para almacenar energía cinética) de un sistema eléctrico de potencia al desplazar generación convencional (generadores síncronos) por fuentes variables de generación.

 Sistema de potencia con únicamente fuentes convencionales de generación (generadores síncronos).

 Sistema eléctrico de potencia con fuentes convencionales de generación y fuentes variables de generación.

La siguiente figura muestra la respuesta de la frecuencia ante un mismo evento considerando diferentes valores de inercia equivalente.

La reducción en la inercia del sistema, sin importar si existe o no generación eólica o fotovoltaica tiende a reducirse durante las condiciones de demanda “ligera”, ya que se requieren menos centrales de generación en servicio para satisfacer esta condición de demanada comparadas con las requeridas para satisfacer una condición de demanda “alta”. Así pues, en el caso de que el parque de generación del sistema se conforme de generación convencional (generadores síncronos) y generación variable (eólica y fotovoltaica) la reducción de la inercia del sistema se acentúa en condiciones de demanda “ligera”, ya que por razones económicas la generación convencional (generadores síncronos) quedarán fuera de servicio para dar preferencia a las centrales eólicas y fotovoltaícas [1].

1.- Inertia: Basic Concepts and Impacts on the ERCOT Grid. http://www.ercot.com/content/wcm/lists/144927/

Inertia_Basic_Concepts_Impacts_On_ERCOT_v0.pdf

* Investigador especialista en estudios de estabilidad dinámica en el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL).