El Futuro de la Computación en la Industria de

El Futuro de la Computación
en la Industria de Generación Eléctrica
Retos a los que se enfrenta la industria de generación
La industria de generación eléctrica se enfrenta a dos retos muy significativos derivados de la
liberalización de los mercados eléctricos y del adverso contexto económico global.
El primero de estos retos consiste en la extensión de vida del parque de generación actual. La
dificultad para encontrar fuentes de financiación en condiciones favorables para nuevos
proyectos de generación, así como la necesidad de optimizar la rentabilidad de las inversiones
ya realizadas, obliga a las empresas de generación al alargamiento de la vida de las centrales
existentes. Este alargamiento debe realizarse de forma que se garantice la seguridad y
rentabilidad de las instalaciones. La extensión de vida de las centrales nucleares en muchos
países occidentales es un claro ejemplo de este reto.
El segundo reto al que se enfrenta la industria de generación radica en la operación de las
centrales en condiciones que muchas veces están fuera de las hipótesis y condiciones de
contorno utilizadas en su diseño. La liberalización de los mercados eléctricos en muchos países
occidentales ha provocado que existan incentivos económicos para operar las centrales en
condiciones que no estaban contempladas en sus bases de diseño originales. Este hecho se ha
visto magnificado por la diversificación del mix de generación, que ha resultado en la
introducción de tecnologías de generación que eran inexistentes o tenían una importancia
marginal cuando se construyeron gran parte de las grandes centrales de generación térmica
convencional, nuclear e hidráulica. Así por ejemplo, la amplia implantación de tecnologías de
generación renovables, que típicamente tienen asociada una elevada variabilidad en su
disponibilidad, ha provocado la modificación de la estrategia de operación de ciclos
1 combinados y centrales térmicas convencionales que originalmente estaban diseñadas para
operar en base y actualmente operan en punta cumpliendo funciones de regulación, viéndose
obligadas a realizar ciclos frecuentes de arranque y parada, así como variaciones de carga
diarias.
Los dos retos que se acaban de presentar tienen un elemento subyacente común: para
afrontarlos adecuadamente es necesario que las empresas de generación dispongan de
herramientas que permitan valorar el efecto de la operación de sus activos fuera de sus bases
de diseño originales; bien sea la operación durante un tiempo más prolongado que el de diseño
(extensión de vida) o en condiciones de operación no contempladas originalmente (operación
flexible). En el apartado siguiente presentamos las herramientas de computación existentes y
evaluamos su posible aplicación para dar respuesta a estas necesidades emergentes de la
industria de generación eléctrica.
Estado del arte en computación aplicada a la generación
Las herramientas de computación han experimentado una progresión extremadamente rápida
en los últimos años. Esta evolución se ha visto reflejada en su implantación en múltiples áreas
y procesos de la industria de generación eléctrica. De forma general podemos agrupar estas
herramientas en dos grandes grupos: aquellas que se utilizan en tareas de diseño, y aquellas
que se utilizan como apoyo a la operación.
La construcción de centrales eléctricas de generación cada vez más seguras, fiables y
eficientes ha venido asociada al desarrollo de herramientas informáticas que abarcan todas las
áreas implicadas en el proceso de diseño de estas centrales: gestión documental, diseño
asistido por ordenador, simulación de fenómenos físicos, optimización de procesos, etc. De
entre todas estas herramientas, posiblemente han sido los programas de simulación los que han
tenido un impacto más significativo en la evolución de las prestaciones de las diferentes
tecnologías de generación. Estas herramientas, denominadas genéricamente “programas de
simulación”, permiten reproducir el comportamiento de múltiples fenómenos físicos, y
actualmente son utilizadas en todas las fases del diseño con objeto de realizar cálculos
estructurales, fluidodinámicos, termodinámicos, eléctricos y multifísicos, tanto conceptuales
como de detalle.
2 Las herramientas informáticas desarrolladas para facilitar la operación de los activos de
generación han seguido una evolución independiente de las herramientas de diseño descritas
anteriormente. Típicamente el núcleo de estos programas utilizados como ayuda a la operación
está formado por aplicaciones que permiten la adquisición y procesado masivo de datos
operativos procedentes de la instrumentación de los diferentes equipos, sistemas y
componentes de la central. Estas herramientas disponen de bases de datos avanzadas para el
almacenamiento, consulta y visualización de históricos de datos operativos. Sin embargo, las
capacidades de cálculo de estos programas son extremadamente limitadas cuando se comparan
con las de los programas de diseño descritos anteriormente. Los cálculos que es posible realizar
con estas herramientas suelen estar restringidos al análisis de tendencias, evaluaciones de
parámetros estadísticos y gestión de alarmas basadas en reglas y algoritmos relativamente
sencillos.
Planteamiento del problema
En el apartado anterior ha quedado patente que las herramientas computacionales de ayuda al
diseño han seguido una evolución diferente, y en muchos casos aislada, de las herramientas de
ayuda a la operación. Esta dicotomía entre herramientas utilizadas en el diseño y herramientas
utilizadas en la operación de centrales lleva a una paradoja que dificulta el planteamiento de
una respuesta adecuada a los retos a los que se enfrenta la industria de generación eléctrica:
por un lado los diseñadores disponen de herramientas avanzadas de simulación que permiten
optimizar el diseño de las centrales para su operación en unas condiciones que son
desconocidas a priori. Por otro lado los operadores de centrales disponen de herramientas que
permiten caracterizar de forma precisa las condiciones de operación de sus centrales, pero no
tienen capacidad de evaluar el impacto de dicha operación con respecto a las condiciones
originales que fueron postuladas por el diseñador. A lo largo de este documento
denominaremos “reconciliación” al proceso requerido para calcular el impacto que tiene la
diferencia entre las condiciones de operación reales y las condiciones de operación de diseño
en la vida útil y rendimiento de los equipos.
Los diseñadores de centrales tienen a su disposición herramientas computacionales con
3 capacidades de cálculo muy avanzadas, permitiendo la simulación integrada de todos los
fenómenos físicos relevantes para el diseño óptimo de los equipos en unas condiciones de
operación predefinidas. Sin embargo, estas condiciones de operación son desconocidas a priori,
por lo que el diseñador se ve en la necesidad de asumir unas condiciones de operación para
desarrollar y optimizar los equipos, sistemas y componentes de la central. Estas hipótesis de
operación incluyen tanto la duración de la vida útil de la central, como el uso que se va a dar a
la instalación durante dicha vida de diseño. Este uso se concreta en la definición de unas
condiciones de operación en régimen permanente y un número de ocurrencias de diferentes
condiciones operacionales en régimen transitorio. Dichas hipótesis de uso tienen una
incertidumbre elevada debido a que la vida útil de los activos de generación se extiende a lo
largo de periodos de tiempo suficientemente largos como para que cualquier previsión
operativa esté sujeta a una variabilidad significativa. Como ya se ha comentado anteriormente,
la extensión de vida de las centrales nucleares más allá de los 40 años de operación o la
paulatina evolución de los ciclos combinados desde su operación en base hasta su operación en
punta en muchos países son ejemplos de estas desviaciones del uso real de los activos de
generación con respecto al uso previsto en sus bases de diseño.
Por otro lado, los operadores de centrales tienen a su disposición herramientas de adquisición y
procesado de datos operativos que permiten una caracterización muy precisa de las
condiciones de operación a las que se ha visto sometido cada equipo a lo largo de su vida. Sin
embargo, estas herramientas no disponen de los algoritmos de simulación utilizados en el
diseño del equipo. Por tanto, el operador generalmente es consciente de que sus equipos están
operando fuera de las condiciones de diseño originales, pero no cuenta con las herramientas
para cuantificar el impacto de dicha operación en la vida útil y en el rendimiento de la central.
La evaluación del impacto de la operación real en la vida útil y rendimiento de la planta es un
proceso que actualmente requiere dos pasos. En el primer paso el operador recopila datos
operativos para caracterizar adecuadamente las variables que definen las condiciones
operativas de sus equipos. En el segundo paso el operador envía los históricos de parámetros
operativos al diseñador original de la central o a algún tecnólogo de referencia, quien utiliza
herramientas de diseño para analizar el impacto de la divergencia existente entre las
condiciones operativas de diseño postuladas originalmente y las condiciones operativas reales.
Este proceso tiene varios inconvenientes para el operador, ya que típicamente el proceso de
revaluación es costoso y, además, muchas de las decisiones estratégicas de la central pasan a
4 verse influenciadas por los intereses del diseñador o tecnólogo que realiza los cálculos. En
muchas ocasiones los intereses del diseñador no están necesariamente alineados con los del
operador, por lo que el proceso actual puede limitar la capacidad de las empresas de
generación para elegir la estrategia de gestión óptima para sus activos.
Solución inmediata
La solución obvia al problema planteado en el apartado anterior consiste en que sea el
operador quien realice los cálculos que permiten cuantificar el impacto de las condiciones
operativas reales en los equipos de la planta, reduciendo así su coste y evitando que puedan
verse afectados por intereses de terceros.
Esta solución, aunque sencilla en su planteamiento, presenta dificultades importantes en su
implantación. En primer lugar, requiere que el operador realice una inversión no despreciable
en herramientas computacionales de diseño, cuyo coste de adquisición y mantenimiento es
elevado. Adicionalmente esta opción requiere la existencia de infraestructuras informáticas
adecuadas para la utilización de los programas de cálculo. Finalmente, las herramientas de
cálculo utilizadas en el diseño son complejas y requieren una especialización por disciplinas
(cálculo estructural, fluidomecánico, eléctrico, etc.) por parte de los usuarios. Por tanto,
cualquier operador que desee realizar sus propios cálculos de reconciliación se ve obligado a
disponer de un equipo de personas con dedicación prácticamente exclusiva a estas tareas. Sin
embargo, muchos operadores no tienen una flota de centrales lo suficientemente grande como
para garantizar un volumen de trabajo constante que justifique la existencia de un grupo de
ingeniería similar a los que tienen diseñadores y tecnólogos.
Alguien no familiarizado con las herramientas de computación utilizadas en el diseño podría
pensar que la razón de su complejidad de uso radica en lo avanzado de sus algoritmos de
simulación. Esta creencia es errónea, ya que los algoritmos de cálculo son casi siempre
transparentes al usuario. Su complejidad de uso se debe a que estas herramientas están
concebidas para permitir que el usuario realice diseños multiparamétricos en los que es posible
variar cualquier input del cálculo, incluyendo materiales, geometría, condiciones operativas,
fenómenos físicos de interés, etc. Esto es así porque el diseñador habitualmente parte de una
5 “página en blanco” y su libertad para fijar los diferentes parámetros de diseño debe ser total,
y no estar limitada por las capacidades de las herramientas de cálculo que utiliza. Esta
generalidad lleva asociada la posibilidad de elegir múltiples algoritmos de cálculo adecuados
para las diferentes elecciones que el diseñador va realizando durante el proceso de diseño.
Como consecuencia, estas herramientas requieren que el usuario esté familiarizado con
numerosos métodos numéricos y algoritmos que están a su disposición para abordar todos los
casos posibles que puede encontrar durante el diseño de un componente.
En los cálculos de reconciliación, el usuario apenas tiene grados de libertad que pueda fijar a
su elección. A diferencia de lo que ocurre en el proceso de diseño, el caso de estudio en un
cálculo de reconciliación está perfectamente acotado: se conoce el material, la geometría y las
condiciones operativas del sistema o componente que se desea analizar. Sin embargo,
paradójicamente, estos cálculos se realizan mediante las mismas herramientas que se utilizan
en el diseño, por lo que el usuario tiene a su disposición innumerables algoritmos y opciones de
cálculo, la mayor parte de ellas inadecuadas para analizar el problema que tiene entre manos.
Es decir, a los analistas de cálculos de reconciliación se les pide una especialización que es
claramente innecesaria, y que no está motivada por la complejidad de los cálculos que
necesitan realizar, sino por la inadecuación de las herramientas disponibles al fin que se desea
conseguir.
Solución propuesta
La solución ideal al problema planteado en este documento requiere cambiar el estado del arte
de la computación actual: es necesario desarrollar un nuevo conjunto de herramientas que
dispongan de los algoritmos avanzados de cálculo existentes en los programas de diseño, y que
a la vez eliminen la complejidad de uso asociada a su generalidad, innecesaria para la
realización de cálculos de reconciliación donde todos los inputs están fijados de antemano y,
por tanto, la combinación óptima de opciones y algoritmos de cálculo es conocida a priori.
Esta solución tiene dos partes: en primer lugar es necesario desarrollar los algoritmos de
cálculo disponibles en las herramientas de diseño. En segundo lugar es necesario personalizar
estos algoritmos a las características conocidas de la central, sistema o componente para el
6 que se desean realizar los cálculos. Esta personalización supone definir la geometría,
materiales y condiciones de contorno aplicables a cada componente, así como los algoritmos
idóneos para el cálculo que se desea realizar. Una vez completados estos dos pasos, la
herramienta resultante puede integrarse con las herramientas de monitorización de variables
operativas existentes actualmente en todas las centrales, de forma que el operador tenga
acceso a los resultados de interés referentes al consumo de vida útil, variaciones de
rendimiento y degradación de componentes derivadas de las condiciones operativas reales de
su planta.
Por tanto, el futuro de la computación aplicada a la industria de generación eléctrica pasa por
desarrollar herramientas con las mismas capacidades de cálculo que las disponibles en las
herramientas de diseño actuales, y adaptadas a cada central de forma que el usuario no
requiera formación específica para su uso.
Esta solución permitirá a los operadores de centrales conocer el impacto de sus decisiones
operativas y adaptarlas a su estrategia sin depender del diseñador original o de tecnólogos
externos. De esta forma las empresas de generación estarán en óptima disposición para
afrontar los retos asociados a la extensión de vida y operación flexible de sus activos de
generación; retos que determinarán en buena medida su rentabilidad futura.
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