La energía hidroeléctrica tiene particularidades específicas que limitan su utilización. Si bien, para el caso específico de México, el Programa Nacional Hídrico y la Coordinación Hidrotérmica, estiman y distribuyen la cantidad de agua que será utilizada para la generación de energía eléctrica; existen una serie de restricciones locales que deben ser añadidas a los modelos de optimización para garantizar la factibilidad de operación del diseño de la estrategia a utilizar. El presente artículo expone las particularidades de las Centrales Hidroeléctricas que se encuentran en la cuenca del Rio Grijalva, a manera de ejemplo, con el fin de exponer los distintos retos de su operación.
Características del parque hidroeléctrico de la Cuenca del Rio Grijalva
La cuenca del Rio Grijalva cuenta con cuatro Centrales Hidroeléctricas de distinta capacidad de almacenamiento y de distinta capacidad de generación de energía (ver Ilustración 1). Sin embargo, su utilización no se rige exclusivamente de las características propias de la Central, sino de sus propiedades naturales que comparten con resto de las Centrales Eléctricas (CE) de su misma cuenca:
- Diseño de las presas
- Coordinación en cascada
- Estrategias de desacoplamientos
Diseño de las presas
Si bien el tamaño del embalse define la cantidad de energía que puede almacenar y posteriormente podrá utilizar la CE, su utilización debe ser óptima sujeta a distintas restricciones de seguridad.
El tamaño del embalse de la CE Angostura contribuye fuertemente al control del flujo de agua de la cuenca. Desde ese punto de vista, convendría que se preservara su nivel almacenado al mínimo. Sin embargo, desde el punto de vista energético, sirve como un mecanismo de almacenamiento natural que contribuye a la reducción de costos en la producción de energía y convendría preservar su almacenamiento en niveles altos. Con base en lo anterior, el programa de turbinado se encuentra en la decisión óptima entre ambos puntos de vista.
Ilustración 1. Esquema de la cuenca del Río Grijalva | Nota: CN: Capacidad Neta; V: Volumen de almacenamiento referido al Nivel de aguas máximas ordinarias (NAMO). | Fuente: Elaboración propia con base en el Sistema Nacional de Información del Agua.
El embalse de la CE Manuel Moreno Torres es relativamente pequeño (64 veces menor) en comparación con el embalse de la CE Angostura. Por lo que se debe tener una coordinación al detalle entre ambas CE con el fin de evitar que el agua turbinada por la CE Angostura provoque un derrame de la CE Manuel Moreno. Esta estrategia se logra asemejando los Costos de Oportunidad de ambos embalses (Gráfica 1)
El diseño del embalse de la CE Malpaso es del 70% de tamaño con respecto a la CE Angostura y 45 veces mayor al de la CE Manuel Moreno (Ilustración 1). Esto permite que ante una crecida en los escurrimientos aguas debajo de la CE Angostura, el embalse de la CE Malpaso sirva como un vaso regulador. Evitando que este incremento se dirija directamente a la CE Peñitas, puesto que el almacenamiento de la CE Manuel Moreno no podría soportarlo.
Por último, el tamaño del embalse de la CE Peñitas tiene similitud con la CE Manuel Moreno y debe haber una coordinación al detalle con la CE Malpaso con el fin de evitar derrames (tal como se observa en la semejanza de sus Costos de Oportunidad en la Gráfica 1). Esta CE contiene el último embalse de la cuenca y suministra el agua distintas necesidades de poblaciones aguas abajo.
Fuente: Elaboración propia.
Coordinación en cascada
La cantidad del turbinado de agua que realiza una CE tendrá efectos sobre el flujo de las Vías de Red Hidráulica (VRH) y posteriormente en los niveles almacenados de los embalses aguas abajo.
Los modelos de optimización utilizados para realizar la Coordinación Hidrotérmica deben considerar el agua que se traslada de un embalse a otro y el flujo en las VRH para evitar su propio desbordamiento.
La estrategia a realizar debe procurar que los embalses no sobrepasen:
- El Nivel de Aguas Máximas Ordinarias con el fin de evitar desbordamientos o la utilización de vertederos.
- El Nivel de Aguas Mínimas de Operación con el propósito de evitar el arrastre de sedimentos o bien una presión menor a la requerida para las turbinas de la CE.
De forma general, la estrategia se diseña para salvaguardar la seguridad de la cuenca con base en la capacidad de los embalses y el agua que se traslada entre ellos, añadiendo las propias aportaciones pluviales de los escurrimientos locales de los embalses.
De incrementar la generación de energía eléctrica de forma indiscriminada, los embalses aguas abajo podrían presentar problemas de sobre almacenamiento. Incrementando la probabilidad de presentar desbordamientos e inundaciones en diversas poblaciones.
Estrategia de desacoplamientos
El tamaño de los embales y su posición en la cuenca del Río Grijalva permiten diseñar una estrategia de desacoplamiento que brinda una mayor flexibilidad en la operación de esta.
Mientras que el tamaño de los embalses de la CE Angostura y la CE Malpaso permiten planear una coordinación multi–anual; los embalses de la CE Manuel Moreno y la CE Peñitas podrían tener problemas de sobre almacenamiento en solo unos días.
Con base en lo anterior, la cuenca puede operarse en dos bloques mutuamente excluyentes. Cambiando la coordinación en cascada por una coordinación entre la CE Angostura y la CE Manuel Moreno, y entre la CE Malpaso y la CE Peñitas.
Esto es posible dado el tamaño y nivel de almacenamiento de la CE Malpaso, ya que el agua resultante del turbinado de la CE Manuel Moreno no debería representar un incremento súbito al nivel de almacenamiento del embalse de la CE Malpaso.
Esta propiedad natural de la cuenca permite atenuar las restricciones que involucran una operación en cascada. Sin embargo, esta estrategia solo es viable si los niveles de almacenamiento lo permiten.
Riesgo de la falta de una coordinación
Dado que la capacidad de almacenamiento de los embalses de la CE Manuel Moreno y la CE Peñitas es relativamente pequeña, se pueden presentar condiciones de sobre almacenamiento o bien de escasez del recurso hídrico en cuestión de días. Por lo tanto, se debe tener una coordinación al detalle de la CE Angostura y sobre todo de la CE Malpaso.
En el hipotético caso que la CE Malpaso llegara a su Nivel de Aguas Máximas Extraordinarias (NAME), existiría una alta probabilidad de que la mayor parte del agua turbinada por la CE Angostura se trasladara hasta la CE Peñitas. Lo anterior tendría como efecto una reducción considerable del control para mantener la seguridad de la cuenca.
Al ser el último embalse de la cuenca, el agua que turbine la CE Peñitas o bien se traslade por el uso de su vertedero, implicaría que aumentara el flujo de las VRH aguas abajo. Aumentando la cantidad de agua en zonas que no fueron diseñadas para tener almacenamiento.
No obstante, la generación de pronósticos del tiempo con mayor precisión y el uso de modelos matemáticos que contemplen las características antes mencionadas reducen el riesgo en la operación de la cuenca. Sin embargo, la presencia de fenómenos meteorológicos como huracanes, frentes fríos, el niño o la niña representan un reto para mantener la operación confiable y segura.
Conclusiones
Las propiedades de los embalses que pertenecen a la cuenca del rio Grijalva atienden, por un lado, el control del flujo de agua y, por otro lado, sirven como un sistema de almacenamiento natural de energía. El uso óptimo se encuentra entre ambos escenarios.
Los embalses se encuentran en forma de cascada, lo cual implica que el agua que es turbinada por una CE conllevara un incremento en el nivel de almacenamiento de los embalses aguas abajo.
Sin embargo, dadas las características de los embalses, la cuenca del Rio Grijalva se puede desacoplar, coordinando únicamente dos bloques de generación. La factibilidad de este esquema de operación se encuentra sujeto a los niveles de almacenamiento de los embalses, principalmente el de la CE Malpaso.
A pesar de la planeación estratégica de la cuenca, la presencia de un fenómeno meteorológico no previsto puede cambiar radicalmente el escenario que se tenía anticipado. Teniendo como efecto el incremento del recurso hidráulico en zonas no diseñadas para el almacenamiento y provocando inundaciones.
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