Plantas de Almacenamiento por Bombeo para la generación de

Plantas de Almacenamiento por Bombeo para la
generación de electricidad en México,
ventajas y desventajas.
AUTOR
Ildefonso López González
[email protected]
CO-AUTOR
Eiji José Yokoyama Izurieta
[email protected]
Categoría: Aplicación Tecnológica de la Ingeniería Civil
Descripción del Trabajo
La grave crisis energética, los problemas inherentes al cambio del clima por el
calentamiento global así como el agotamiento de los recursos, hacen atractivas las
inversiones en las plantas de almacenamiento por bombeo PAB. Se revisan las
ventajas y desventajas de esta tecnología que resulta cada vez más viable en México y
como complemento se presenta una gráfica de las PAB existentes en el mundo.
Aplicación
Las PAB, también llamadas plantas de generación de energía por rebombeo, son
centrales hidroeléctricas que posibilitan un empleo más racional de los recursos
hidráulicos. Aprovechan energía barata para el bombeo y generan energía de picos
(energía eléctrica en horario de máxima demanda), que es más cara. Asimismo,
permiten disponer de energía auxiliar en casos de emergencia. Las PAB utilizan un
recurso renovable y presentan una solución energética factible, creando o utilizando
almacenamientos de agua futuros o existentes.
1
Resultados
El Sistema Eléctrico
Nacional (SEN), de acuerdo
con la fuente de generación,
está constituido por plantas
termoeléctricas, geotérmicas,
eoloeléctricas, carboeléctricas,
una nucleoeléctrica, productores externos y desde luego
hidroeléctricas. El porcentaje
de la capacidad instalada con
respecto al total nacional, igual
a 52 GW, se presenta en la
Figura 1.
Geotermoeléctrica,
1.87%
Eoloeléctrica, 0.17%
Nucleoeléctrica,
2.65%
Hidroeléctrica,
22.09%
Carboeléctrica,
5.04%
Productores
Externos, 22.23%
Termoeléctrica ,
45.96%
Nuestro país dispone de
Figura 1. Capacidad instalada para la generación de
un
Sistema
Nacional
energía eléctrica en México; Ref. 1
Interconectado
(SNI)
y
comprende
nueve
áreas
eléctricas conectadas entre si, a excepción de las entidades ubicadas en la Península
de Baja California por cuestiones técnico-económicas.
Con estos antecedentes, se puede apuntar hacia un sistema alternativo de
generación de energía eléctrica como son las PAB. Estas corresponden a sistemas de
dos embalses, uno superior y otro inferior, en donde se bombea agua al
almacenamiento superior en los periodos de menor demanda con energía barata, para
dejar caer el agua (energía potencial acumulada) en los periodos de mayor demanda y
generar energía de picos, cuyo precio es mayor a la energía base. El ciclo puede ser
horario, diario, mensual, estacional o anual.
Almacenamiento Superior
Almacenamiento Inferior
Bomba/Turbina
Arreglos de una PAB:
a) Cuatro máquinas: motor y bomba para bombeo,
turbina y alternador para generación.
b) Tres máquinas: una bomba, un motor-alternador y
una turbina. El motor-alternador es reversible.
c) Dos máquinas: motor-alternador y bomba-turbina. La
máquina hidráulica es reversible.
Figura 2. Esquema general del funcionamiento de una PAB.
2
Para almacenar la energía de las PAB se pueden aprovechar los vasos de las
230 presas existentes en nuestro país con altura mayor a los 15 metros y capacidad de
almacenamiento mayor a los 3 millones de metros cúbicos. Se debe tomar en cuenta la
posibilidad de aprovechar túneles y cavernas existentes o de proyecto, ya sean
superficiales o subterráneas, para optimizar recursos.
Por las características operativas de una PAB y la existencia de una red SNI, las
PAB aportan una alternativa versátil y óptima para el funcionamiento y operación del
SEN. Por ejemplo, las termoeléctricas y geotérmicas surten la energía base del sistema
eléctrico; con ayuda de las hidroeléctricas, las PAB en un futuro surtirán la demanda de
la energía de picos. Esta situación es posible por la facilidad de arranque y paro de las
PAB comparado con los altos costo de las maniobras de paro y arranque de las
centrales térmicas convencionales y nucleares.
Figura 3. Espectro energético de una PAB donde el color VERDE representa el
periodo de bombeo y el ROJO el de generación; Ref. 2
Por otra parte, las instituciones encargadas de la producción y distribución de
energía, CFE y CONAGUA, coordinadas por la Secretaría de Energía, vienen
privilegiando la construcción de plantas eólicas en Oaxaca así como sistemas de
generación con celdas solares.
3
El proyecto piloto de la CFE para la generación de energía eléctrica por celdas
fotovoltáicas propone una nueva fuente de energía sustentable para el SEN. Un estudio
previo de 15 años permitió recopilar la información acerca del contenido energético del
sitio previsto, determinando que Sonora y la parte norte de la Península de Baja
California, ambas dentro del Cinturón Solar, son óptimas por el alto grado de insolación.
El sitio de prueba será un área de 1,000 km 2 en el campo geotérmico Cerro Prieto,
propiedad de la CFE, en la parte norte de la península de Baja California. Se tendrá una
capacidad instalada de 5 MW proporcionada por las celdas fotovoltáicas que convierten
directamente la energía solar en energía eléctrica. Entre las ventajas de esta tecnología
de punta se encuentran el poco espacio requerido para centrales generadoras, el uso
de las extensas regiones desérticas y el desarrollo del capital humano para la
instalación, operación y mantenimiento de dichas centrales fotovoltáicas.
Otra tecnología limpia que
está llamando la atención son los
aerogeneradores
o
turbinas
eólicas. El 86% de la inversión en
energía limpia del 2010 se invirtió
en energía eólica y se espera un
gran crecimiento dinámico de su
mercado en entidades como
Oaxaca,
Baja
California,
Zacatecas y Tamaulipas. México,
a diferencia de otros países en
Latinoamérica,
no
aplica
impuestos por la importación de
componentes y tecnología para la
generación de energía renovable,
Figura 4. Planta de generación por bombeo Kruonis, Lituania
por lo que las empresas
desarrolladoras tienen una visión
positiva para alcanzar a generar de 5,000 hasta 71,000 MW anuales. Actualmente
operan “granjas” eólicas en Oaxaca que acumuladas generan 550 MW, pero se espera
que para finales del 2011 se alcancen los 2,000 MW.
Ambos sistemas, eólicos y solares, producen energía intermitente por la
naturaleza de la fuente que las produce. Es en este punto donde las PAB se vuelven
útiles, sirviendo como complemento para los periodos donde ambas tecnologías no
aporten energía al sistema eléctrico.
Con respecto al almacenamiento de energía, la Secretaría de Energía considera
el concepto de Margen de Reserva (MR), definido como la: “capacidad del Sistema
Eléctrico para atender el suministro de la demanda en cualquier punto de operación, es
decir, disponer de un nivel adecuado de recursos o tener suficiencia del sistema
respecto al suministro de energía eléctrica.” El MR debe variar entre el 12% y 18% de la
capacidad instalada promedio de energía eléctrica. Según la planeación del SEN por
4
parte de la Secretaría de Energía, el MR en México viene variando del 39.3% en el
2010 a un 24.9% en el 2018 de acuerdo al balance de crecimiento de la demanda y la
oferta de energía. Por ende no existen problemas aparentes por la falta de energía en
un corto plazo, sin embargo es de destacar a las PAB como una forma de incrementar
el MR al disponer de la acumulación de energía en forma de un almacenamiento de
agua para utilizar en el momento que el SEN lo demande.
Al disponer de energía auxiliar almacenada con las PAB, se tiene la ventaja de
hacer frente a problemas del sistema, por ejemplo apagones en donde las alternativas
inmediatas requieren un arranque casi instantáneo, situación fácilmente manejada con
las PAB cuyo almacenamiento resulta muy atractivo para evitar daños mayores. Esta
situación quedó demostrada plenamente en los Estados Unidos cuando en 1965 se
presentó un apagón en Nueva York. El dictamen del gobierno y los representantes de la
industria favoreció la necesidad de disponer de más PAB en el sistema.
De acuerdo con J. Tonda (Ref. 3), la eficiencia del hidrobombeo como forma de
almacenar energía es del 66%, muy por debajo del 90% correspondiente a
superconductores y del 78% de los volantes giratorios.
No es sólo la eficiencia el parámetro importante de las PAB, es de destacar el
aprovechamiento racional del excedente de energía y por tanto del recurso agua. La
demanda de energía no es constante a lo largo del tiempo, varía de forma horaria,
estacional y en función del tipo de actividad en el cual se utilice la electricidad. Existen
picos para una variación diaria, uno alrededor del medio día cuando trabajan las
industrias, para después llegar al pico máximo entre las 20 y 22 horas. Esta variación
genera la necesidad de plantas para generar energía base lo cual se logra normalmente
con las termoeléctricas convencionales, los picos se surten con las hidroeléctricas y
puede considerarse a las PAB como excelentes para generar electricidad en horas pico.
Con relación a la ventaja de las PAB relacionada con la diferencia de costos
entre energía de pico y energía base, la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica
(LSPEE) maneja diferentes tarifas para el cobro por el consumo de energía eléctrica. 1
Según la CFE varían en función de cada una de las nueve áreas eléctricas del SEN, a
manera de hacer una comparación se hablará de la zona Central y de las tarifas donde
encuentran ventaja las PAB.
Por ejemplo, las tarifas generales en media tensión (O-M, H-M, H-MC, H-MF)
dependen de la demanda horaria y puede ser energía base, intermedia o de punta. La
tarifa H-M para la Zona Centro en el mes de octubre es de 1.0149, 1.2142 y 2.0068
$/kWh para los horarios de energía base, intermedia y de punta. La diferencia entre
1
Tarifas para Baja Tensión (V ≤ 1,000): 2, 3
Tarifas para Media Tensión (1,000 < V < 35,000): O-M, H-M, H-MC, H-MF
Tarifas para Alta Sub-Transmisión (35,000 < V < 220,000): H-S, H-SL
Tarifas para Alta Transmisión (V ≤ 220,000): H-T, H-TL
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energía de pico y energía base es de 0.9919 $/kWh que representa casi la mitad del
precio de la energía pico, el 82% de la energía intermedia y el 90% de la energía base.
Esta cuestión de economía respalda la razón de ser de las PAB.
Las tarifas generales en alta tensión (H-S y H-SL) también dependen de la
demanda horaria. Para el caso de la tarifa H-S, el precio del kWh para el mes de
octubre en la Zona Centro es de 0.9634, 1.1328 y 2.2505 pesos para los horarios de
energía base, intermedia y de punta. La diferencia entre energía de pico y energía base
es de 1.2871 $/kWh que representa el 57% del precio de la energía pico y el 134% de
la energía base. Quedan claras las posibilidades económicas de las PAB al aprovechar
energía base para el bombeo y generar energía de picos a precios altos.
Es de destacar la apertura del Sector Eléctrico a la Iniciativa Privada (IP) a través
de la LSPEE. Actualmente los productores externos participan con una capacidad
instalada del 22% respecto al total Nacional, mismo porcentaje de las hidroeléctricas en
números redondos. Además, con los diferentes esquemas de participación de la IP en
el sector eléctrico, los excedentes pueden venderlos a la CFE. Por ello, las PAB
encuentran una ventaja al ser favorecidos en la IP pues resulta un negocio atractivo.
Las políticas del Plan Nacional de Desarrollo planteadas en el Programa de
Obras de Inversión del Sector Eléctrico POISE 2009-2018 apuntan a las siguientes
consideraciones en donde encuentran ventajas las PAB:
-
“Desarrollar fuentes de energía renovable a fin de alcanzar una participación en
la capacidad de generación de 25%”, actualmente tan sólo las hidroeléctricas
suman un 22.09% sin contar las eoloeléctricas.
-
“Mantener una participación de 40% para las tecnologías a base de gas natural”,
el costo del gas natural es alto comparado con otro tipo de fuentes de generación
como es el agua, más aún cuando se considera a las PAB.
-
“Desarrollar la generación a base de carbón, manteniendo su participación en un
15% como máximo…”, actualmente este porcentaje es del 5.04% pero
incrementarlo implica problemas ecológicos por la emisión de CO2. Las PAB no
tienen problemas de emisión de contaminantes.
-
“Mantener una cota máxima del 8% para proyectos que se dejarían con libertad
para definir posteriormente la tecnología más conveniente, mantener invariable la
participación de la generación nucleoeléctrica”. En este inciso encuentran cabida
las PAB como tecnología nueva para el Sistema Eléctrico Nacional SEN.
-
“Reducir la participación de las tecnologías a base de combustóleo y diesel a
12%”. Nuevamente toman ventaja las PAB debido a su nula emisión de
contaminantes.
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En todo proyecto de ingeniería se tienen puntos a favor y en contra; las PAB no
son la excepción. Dentro de su construcción, operación y mantenimiento existen
condiciones adversas más marcadas dependiendo del caso que se trate. Por ende, no
se pueden dejar de mencionar las desventajas de esta tecnología para implantarla en
México. Entre otras desventajas se pueden mencionar las siguientes:

Los altos costos para construcción de túneles y tuberías, adquisición de
maquinaria y construcción de embalses y reservorios si son necesarios, impactan
en forma importante siendo necesarios los estudios de gran visión y factibilidad
técnica, económica y financiera.

El rechazo social por los posibles desalojos y reubicaciones si se presenta la
necesidad de construir nuevos embalses; para mitigarlos se deberán recalcar los
beneficios y divulgarlos entre la población para crear una mayor conciencia de la
sociedad.

Cuando se proyectan grandes almacenamientos de agua, existe la posibilidad de
un cambio de clima, lo cual debe abordarse con apoyo de especialistas para
evitar y/o atenuar problemas de este tipo.

Alteración de la fauna y la flora dejando en peligro especies endémicas, aunque
todo proyecto de una obra civil tiene impactos ecológicos mitigables.

Erosión en las orillas de los lagos produciendo gas del pantano (gas metano) con
la descomposición de la biomasa, por lo que se deben aplicar las medidas de
control correspondientes.

Se tienen compromisos para la compra de energéticos (gas, diesel y
combustóleo), por lo cual resultará políticamente difícil cambiar la fuente de
generación de energía eléctrica a PAB, desde luego con un alto costo ecológico.
La tecnología de las PAB es una excelente tecnología cada vez más considerada
en el mundo. Basta revisar las Figura 5 para darse cuenta de su importancia como
alternativa viable con grandes ventajas como las ya mencionadas.
Entre los 33 países donde existen las PBA, sobresalen dos con mayor capacidad
instalada: los Estados Unidos y Japón, con 16,000 y 15,000 Mw respectivamente. Estos
valores representan del orden de una tercera parte de la capacidad instalada en
México.
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Capacidad Instalada en Mw
MW
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
Argentina
Alemania
Australia
Austria
Bélgica
Bulgaria
Canadá
China
Croacia
Eslovaquia
España
Estados Unidos
Filipinas
Francia
India
Irán
Irlanda
Italia
Japón
Lituania
Luxemburgo
Noruega
Polonia
Portugal
Rusia
Serbia
Slovenia
Sudáfrica
Suecia
Taiwán
Ucranica
Reino Unido
República Checa
0
Figura 5. Capacidad instalada de PAB en el mundo. Datos tomados de Ref. 2.
Así mismo, contrasta la PAB de Conghua, Guangdong, la PAB más grande del
mundo, en comparación con la hidroeléctrica de las Tres Gargantas. Ambas obras
ubicadas en China, la PAB se terminó de construir en el 2000 y cuenta con una
capacidad instalada de 2,400 MW. Mientras tanto, la presa de las Tres Gargantas
cuenta con 29 turbinas instaladas que dan una capacidad máxima de 22,500 MW. Cabe
mencionar que la capacidad instalada de la Presa de las Tres Gargantas equivale al
43.7% del total nacional de México.
En función de las etapas de un proyecto, México necesita plantear estudios de
gran visión en donde pudieran aprovecharse los embalses existentes ó la construcción
de futuros almacenamientos, para dar lugar a la tecnología de PAB. Tal vez todavía se
disponga de sitios aprovechables para hidroeléctricas convencionales, sin embargo
nuestro país está a tiempo para invertir en estudios tendientes a la utilización de esta
importante alternativa ambiental y económicamente favorable. Recordemos que una
generación ineficiente de energía pone en riesgo el desarrollo sustentable de México,
por tanto, las energías alternativas entre las que se cuenta a las PAB coadyuvarán para
lograr la sustentabilidad hídrica y la optimización en el uso del agua.
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Conclusiones
La aportación de las PAB al SEN presenta ventajas importantes y pueden
resultar superiores a las desventajas cuyos impactos son mitigables, depende de cada
caso que se analice. Es por tanto una solución no solamente factible sino conveniente y
necesaria en corto plazo para nuestro país. Se recomienda iniciar con los estudios de
gran visión aprovechando los embalses existentes y las posibilidades para nuevos
reservorios superficiales o subterráneos en un afán por optimizar el recurso agua.
La sustentabilidad hídrica forma parte de las políticas administrativas y técnicas
actuales. Para lograrla es conveniente considerar tecnologías como las PAB que
ofrecen versatilidad del sistema eléctrico, incremento del margen de reserva y de la
capacidad instalada, nula emisión de CO2, carga firme frente a lo intermitente de la
energía eólica y solar, pero sobre todo una alternativa para enfrentar la crisis energética
mundial por los altos costos económicos y ecológicos del petróleo, cuya disponibilidad
tiene un límite.
México necesita enfrentar los retos de sustentabilidad que presenta el siglo XXI
haciendo el mejor uso de sus recursos naturales, por ende, no apartemos la vista de las
PAB, dándole un aprovechamiento óptimo al agua y considerándolas como viables en
un plazo muy corto para alcanzar el nivel de país al que aspiramos.
Referencias
Ref.1
CFE. (2011). Tu negocio. Tarifas para el suministro y venta de energía eléctrica (20102011). Comisión Federal de Electricidad CFE:
http://www.cfe.gob.mx/negocio/conocetarifa/Paginas/Tarifas.aspx
Ref. 2
Wikipedia. (2011). Pumped-storage hydroelectricity. WIKIPEDIA The Free
Encyclopedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Pumped-storage_hydroelectricity
Ref. 3
Juan Tonda. (1993). El oro solar y otras fuentes de energía, Fondo de Cultura
Económica, S.A. de C.V., México, D.F. 1993
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