Uno de los grandes retos para la operación de un sistema eléctrico de potencia es decidir cuál debe ser la combinación de tecnologías de generación para satisfacer la demanda. Si bien la generación hidroeléctrica tiene costos de operación menores en comparación con el resto de las tecnologías despachables, este tipo de tecnología presenta características fundamentales que pueden limitar su utilización. En el presente artículo se muestra un panorama general de cuáles son algunas de las particularidades que pueden restringir su despacho.
Programa Nacional Hídrico y los usos del agua
En México, cada año se estima el uso y aprovechamiento del recurso hídrico con base en el volumen de agua registrado y en lo establecido por el Programa Nacional Hídrico (PNH). La distribución de la utilización del agua es coordinada por el Ejecutivo a través de la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA).
El PNH vela principalmente por la seguridad hídrica del país con un enfoque de derechos humanos, es decir, coloca como prioridad el consumo humano. Asimismo, la gestión del recurso hídrico también tiene como premisa buscar el equilibrio con el ecosistema y brindar seguridad en los asentamientos propensos a inundaciones, por lo que cada cuenca hidrológica contará con su propio manejo y restricciones según sus características. Cabe señalar que uno de los objetivos prioritarios del PNH 2020-2024 es el aprovechamiento eficiente del agua para los sectores productivos, el cual incluye la generación eléctrica.
La utilización del agua, según la Ley de Aguas Nacionales, se clasifica en dos rubros:
- Uso consuntivo: cuando el volumen de agua remanente sufre pérdidas, éste se encuentra compuesto por las actividades agrícolas, el abastecimiento público, la industria autoabastecida y la generación de energía eléctrica [1].
- Uso no consuntivo: conformado únicamente por la generación hidroeléctrica, la cual no consume agua, sino solo aprovecha su traslado desde un embalse a un río.
En 2019, el uso consuntivo registró una participación del 16.8 % con respecto al total del volumen asignado, siendo el sector agrícola el de mayor proporción de este rubro (ver Ilustración 1). En cambio, del volumen total extraído se asignó el 67.1% a la hidroelectricidad.
A pesar de que el 67.1% del agua es destinado a la hidroelectricidad y que la eficiencia del uso para la producción es uno de los objetivos en el PNH, las centrales hidroeléctricas construidas se enfrentan a restricciones basadas en el cuidado del derecho humano, ecosistema y estabilidad en la reserva del agua nacional, así como a retos de infraestructura, tales como la edad y repotenciación, factores que inciden en la política de operación de estas.
Coordinación hidrotérmica
El despacho de la generación hidroeléctrica programable requiere de una estrategia de corto, mediano y largo plazo. Estas estrategias son diseñadas para distribuir la generación hidroeléctrica a lo largo del tiempo, con base en la disponibilidad del recurso hídrico, el nivel de la demanda, el costo variable del resto del parque de generación, así como la política hidroeléctrica establecida, entre otros factores. El proceso por el cual se realiza esta estrategia se conoce como Coordinación Hidrotérmica. Esta tiene por objetivo distribuir la generación hidroeléctrica con el fin de mantener distintos niveles de los embalses en función de las variables antes mencionadas.
Se parte de la premisa de que no existen dos sistemas hidroeléctricos similares [2]. Bajo el supuesto de que se construyeran dos centrales hidroeléctricas gemelas y fuesen instaladas: una en el Sistema Eléctrico Baja California (BCA) y la otra en el Sistema Eléctrico Baja California Sur (BCS); cada una atendería una demanda eléctrica distinta y los costos variables del resto de las centrales eléctricas serían distintos. Lo anterior provocaría que los despachos de generación de estas dos centrales fueran diferentes.
En el caso particular del Sistema Interconectado Nacional (SIN), el resultado de la coordinación hidrotérmica anual suele tener el siguiente resultado (ver Gráfica 1):
- En el primer cuarto del año, la demanda es baja y se presenta un estiaje, lo cual sugiere restringir la generación hidroeléctrica y permitir atender la baja demanda con tecnologías de bajo costo como ciclos combinados (CC).
- En el segundo cuarto del año, la demanda comienza a crecer hasta alcanzar su máximo, mientras que las primeras aportaciones pluviales ocurren en el mes de junio, lo que sugiere comenzar a utilizar la generación hidroeléctrica reduciendo la probabilidad de utilizar tecnologías de mayor costo (como turbogás (TG)), ante el incremento de la demanda. De la misma manera, el almacenamiento de los embalses se ve contraído.
- En el tercer cuarto, la demanda se reduce y comienza la época de lluvias, lo que sugiere reducir la generación hidroeléctrica. Con ello, se logra recuperar el almacenamiento de los embalses y atender, en gran medida, la demanda nuevamente con generación térmica de bajo costo.
- En el último cuarto, la demanda alcanza sus niveles mínimos y comienza el nuevo periodo de estiaje, lo cual resulta en una restricción de generación hidroeléctrica para mantener niveles adecuados para el próximo año de operación.
Lo anterior es una explicación simplificada de la coordinación hidrotérmica en un horizonte de un año, la cual es realizada mediante modelos de optimización a los que se añaden diversas restricciones matemáticas tales como:
- Los tamaños de los embalses de cada central hidroeléctrica, el Nivel de Aguas Mínimo de Operación (NAMINO) y el Nivel de Aguas Máximas Ordinarias (NAMO).
- Los pronósticos de aportaciones pluviales.
- La comunicación entre embalses, es decir, si pertenecen a una misma cuenca.
- El límite de las Vías de Red Hidráulica (VRH).
- Fenómenos meteorológicos, como El Niño y La Niña.
Una coordinación hidrotérmica inadecuada puede derivar en sobre o sub-almacenamientos que pongan en riesgo la seguridad de la presa o la misma cuenca, por desbordamientos, o bien, arrastre de sedimentos.
Flexibilidad operativa
En la operación de Sistemas Eléctricos de Potencia, es bien sabido que las centrales hidroeléctricas tienen una alta flexibilidad operativa. En otras palabras, logran tener grandes cambios en su generación en tiempos muy cortos. Esto representa una importante característica en la operación del SIN.
Bajo el supuesto que la coordinación hidrotérmica se dejara de realizar y la generación hidroeléctrica se despachara como energía base, se incrementaría el riesgo de presentarse indisponibilidad de generación por falta de agua, dadas las restricciones en el PNH.
Como consecuencia, se recurriría a la utilización de tecnologías de arranque rápido (como Unidades de Central Eléctrica (UCE) TG con costos mayores) para mantener el balance entre la generación y la carga ante cambios inesperados en la demanda o indisponibilidades por falla del resto del parque de generación.
En la Gráfica 2 se puede observar que la generación hidroeléctrica es la tecnología que cambia su despacho con respecto a la variación de la demanda. Esto se debe a dos razones principales:
- La forma de su despacho evita el encendido de tecnologías de mayor costo ante incrementos momentáneos de la demanda.
- Asegura el balance entre generación y carga sin comprometer su asignación por largos periodos, dados sus bajos tiempos mínimos de operación [3].
Comparativa internacional
El Sistema Eléctrico Nacional mexicano (SEN) cuenta con una capacidad hidroeléctrica instalada de 12,612 MW compuesta por 13 embalses y una pequeña participación de permisionarios. Aunque la capacidad del recurso hídrico representa el 14.7% de la capacidad total, la proporción de su generación con respecto a la demanda es solo del 5.9%.
De conformidad con la Política de Operación del Sistema Hidráulico y el Instituto de la Tecnología del Agua, lo anterior, se debe, principalmente, a cuatro factores:
- Embalses pequeños que pueden recurrir al uso de vertederos o presentar problemas de arrastre de sedimentos,
- centrales hidroeléctricas que fueron construidas para evitar inundaciones, por lo que su generación debe ser coordinada con el fin de evitar riesgos a comunidades,
- centrales cuya generación abastece consumo humano, gasto ecológico y/o procesos industriales, y
- rezago en la repotenciación y mantenimiento de las centrales que mejore la eficiencia de éstas.
En contraste con el panorama mexicano, la energía proveniente de fuentes hídricas es la columna vertebral del sector eléctrico colombiano, pues cubre el 85.1% de la demanda de su sistema. Gracias a su orografía y régimen de precipitaciones pluviales, en Colombia hay más de 24 embalses que suman una capacidad instalada de 11,834.6 MW, lo que equivale al 68.3% de la capacidad instalada total de su sistema.
Ahora bien, si comparamos el tamaño de la demanda de energía eléctrica de ambos países, se concluye que la energía hidroeléctrica producida en Colombia es suficiente para cubrir más de la mitad de la demanda. En cambio, la demanda en México es cinco veces mayor que la colombiana, por lo que la proporción de la energía hidroeléctrica no representa ni el 10% del volumen demandado en el Sistema Eléctrico Mexicano.
Conclusiones
A pesar de que la generación hidroeléctrica presenta bajos costos de operación, existen diversas características que limitan su utilización. En 2019 la generación hidroeléctrica alcanzó el 67.1% de asignación con respecto al volumen de agua total estimado anual en el PNH, sin embargo, ésta no fue despachada como generación base.
Lo anterior sugiere que, de considerarse como la primera tecnología a despachar, el volumen anual estimado hacia la generación hidroeléctrica debería incrementarse significativamente, lo cual podría ser inviable debido a las restricciones del uso del agua como: consumo humano, equilibrio del ecosistema y seguridad en la reserva de aguas nacionales.
Adicionalmente, las centrales hidroeléctricas también presentan retos de infraestructura tales como un urgente mantenimiento y repotenciación. Estos factores causan un impacto en la política de operación, lo cual se ve reflejado en las estadísticas del agua, es decir, se cuenta con una participación del 14.6 % de la capacidad instalada total en el Sistema Eléctrico Mexicano, sin embargo, esta tecnología sólo cubre el 5.9 % de su demanda.
Por otro lado, la coordinación hidrotérmica asegura la distribución óptima de la generación hidroeléctrica, por lo que, de ser omitida se pondría en riesgo la seguridad de las presas, ríos y cuencas. Y paralelamente los costos de generación se verían incrementados.
La posible indisponibilidad de generación hidroeléctrica por bajos niveles de almacenamiento, como consecuencia de una coordinación hidrotérmica inadecuada afectaría la flexibilidad operativa del sistema. Esto tendría como efecto la utilización de UCE de arranque rápido (como TG, cuyos costos son mayores) para mantener el balance entre generación y carga ante condiciones atípicas de operación.
Finalmente, el número de embalses, la capacidad instalada de generación hidroeléctrica, el tamaño de la demanda del sistema, la política hídrica nacional y la propia orografía de México, impiden que esta tecnología funja como el primer bloque de generación en ser despachado. Para lograrlo, las características del relieve y la proporción de la generación con respecto a su demanda deberían ser similares a las registradas en el sistema colombiano, en el cual, se abastece con el recurso hídrico cerca del 85.1% de la demanda.
[1] Se refiere a la utilización del agua que utilizan algunas tecnologías para generar energía, como los Ciclos Combinados. Por lo tanto, este tipo de uso excluye a la generación de energía hidroeléctrica.
[2] Wood, A. and Wollenberg, B (1996). Power generation operation and control. New York, Reference and Trade Group.
[3] Se refiere al número de horas en las que se debe mantener en operación la UCE una vez encendida. En tecnologías térmicas de gran capacidad (como CC) suelen ser altos.
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