La competencia en el Mercado Eléctrico Mayorista (MEM) depende, entre otras cosas, de los costos de generación y la Confiabilidad del sistema. Estas ofertas dependen, a su vez, del costo de la energía eléctrica que tenga cada Participante del Mercado (PM).
Para que el Centro Nacional de Control de Energía (CENACE) considere estas ofertas, se deben tener establecidos los costos de generación. Pero ¿de qué depende que cada PM oferte la energía a diferente precio? Existen diversos factores, sin embargo, el principal es la tecnología para generar electricidad.
La tecnología de las Centrales Eléctricas que las empresas ponen en marcha dependerá de la oferta de recursos en la zona donde desea instalar la central eléctrica y su interconexión al Sistema Eléctrico Nacional (SEN). Estas tecnologías son:
- Térmicas: biogás, carboeléctrica, ciclo combinado, térmica convencional, turbo-gas y combustión interna.
- Renovable: eólica, fotovoltaica, termo solar, geotérmica e hidroeléctrica.
- Nuclear
Cabe destacar que cada tecnología ofrece, además de distintos costos, diferencias en tiempos de arranque, capacidad instalada, tipo de carga (base, intermedia o pico), eficiencia [1], factor de planta [2], entre otras.
Generación Eléctrica
Para generar electricidad existen, diferentes métodos, el método que se usa en los sistemas eléctricos de potencia es principalmente por medio de un generador eléctrico. Este dispositivo transforma la energía mecánica a eléctrica debido a la interacción de campos magnéticos sobre conductores eléctricos.
Generador eléctrico | Fuente: Breeze, P. (2014). Power Generation Technologies
Las unidades de generación eléctrica se clasifican en 3 grupos por su tipo de carga [3]:
- Pico: Entran y salen de operación varias veces al día. Cuentan con mayor facilidad en el arranque y son unidades de respaldo o emergencia. Presentan un bajo costo de inversión y alto costo de generación.
- Intermedia: Son unidades que normalmente operan entre semana y salen de noche o los fines de semana, además, tienen mayor eficiencia que las anteriores.
- Base: Estás unidades operan la mayor parte del año, sólo salen a mantenimiento. Su eficiencia es mayor al igual que su capacidad. Sus costos de inversión son más altos y los de generación los más bajos. Además, requieren de un mayor tiempo de arranque y de respuesta ante la variación de la demanda.
Centrales de energía renovable
Estas centrales tienen la característica de utilizar recursos que se renuevan de manera natural, como el viento, la luz solar, el agua o el calor del suelo; con esto disminuyen sus costos de operación variables; sin embargo, sus costos fijos e inversión suelen ser de los más elevados (costo nivelado [4]). La característica más importante de estas centrales es que no emiten gases de efecto invernadero y contaminantes por procesos térmicos (combustión).
Central fotovoltaica y eólica
Las centrales fotovoltaicas utilizan paneles con materiales fotosensibles, es decir, reaccionan a la radiación solar, como el silicio o el arseniuro de galio, produciendo electricidad al liberar electrones. La energía producida es corriente continua (como el de las baterías), por lo tanto, requiere de un inversor de energía para transformarla a corriente alterna y poder realizar la interconexión al SEN.
Central fotovoltaica | Fuente: Breeze, P. (2014). Power Generation Technologies
Las centrales eólicas, por su parte, utilizan la energía cinética del viento para producir electricidad por medio de turbinas eólicas; cada turbina se conecta a un generador eléctrico por medio de un eje y un sistema de engranes para aumentar su velocidad angular y estar en la misma frecuencia con el SEN (60 Hz).
Central eólica | Fuente: Carta, J., Calero, R., Colmenar, A., & Castro, M. (2009). Centrales de Energías Renovables
Las ventajas de estos tipos de tecnología son: un menor costo de operación y mantenimiento, un factor de disponibilidad superior al 90 %, su fácil instalación, su accesibilidad a los paneles (en el caso de las fotovoltaicas) y, la más importante, son las tecnologías que menos dañan al medio ambiente.
Las desventajas son: altos costos de inversión, requiere de un predio con un área grande para su instalación, tiene un factor de planta entre el 15 % y el 25 %, su generación es intermitente -depende de la intensidad de la luz solar o de la velocidad del viento- y su generación no se puede utilizar para regular la variación de la demanda (a menos que utilice baterías para su almacenamiento).
Central hidroeléctrica
Utilizar el agua como fuente de energía mecánica ha sido usada por la humanidad desde hace siglos. Para la generación eléctrica se utiliza el mismo principio milenario: utilizar la energía cinética de los ríos (generadores a filo de agua) o contendiendo el agua en presas para utilizar su energía potencial. En ambos casos, esta energía se transforma en energía mecánica por medio de turbinas hidráulicas que se conectan al generador eléctrico.
Central hidroeléctrica | Fuente: Breeze, P. (2014). Power Generation Technologies
La disponibilidad de agua para estas centrales depende de las estaciones del año y la autorización de CONAGUA para utilizarla (principalmente para las que cuentan con embalse). Entre sus ventajas, está su capacidad de generación, arranque y paro casi instantáneos (de cero a su capacidad máxima), y pueden almacenar energía -por los embalses-, por lo que son utilizadas como reservas.
Sus principales desventajas son el tiempo y costo de construcción, además, no pueden localizarse en cualquier sitio. Otra desventaja es la perturbación del ecosistema y desplazamiento de poblaciones, debido a que se inunda una gran área con el embalse.
Central geotérmica
Estas centrales generan electricidad por medio de una turbina de vapor, utilizando el mismo principio de una térmica convencional (como se mencionará más adelante), sólo que la producción de vapor se realiza mediante el calor del suelo o del vapor de un geiser en lugar de una caldera. Estas centrales requieren de un estudio del suelo para conocer si tiene las condiciones para producir el vapor necesario para la turbina. Aunque se le considera un recurso renovable, las condiciones del suelo cambian reduciendo la eficiencia en la producción de vapor.
Central geotérmica | Fuente: Breeze, P. (2014). Power Generation Technologies
Central termosolar
Al igual que la central geotérmica, ésta utiliza una turbina de vapor para la producción de electricidad. Sin embargo, la producción de vapor se realiza por medio de la radiación solar; esto mediante colectores solares que almacenan el calor y lo transfieren al agua, alcanzando temperaturas entre 300 °C y 1000 °C; estos colectores están hechos de sales fundidas (nitratos). Otra forma es mediante superficies reflejantes, las cuales direccionan el calor a un solo colector solar.
Sólo existe una central que cuenta con tecnología termo solar en México, la de Agua Prieta II (Sonora), un ciclo combinado que recibe potencia extra mediante este sistema.
Central termosolar | Fuente: Breeze, P. (2014). Power Generation Technologies
Centrales térmicas
Se les denomina centrales térmicas a todas las que requieren de un proceso de combustión para la producción de energía eléctrica, lo cual provocará la emisión de gases contaminantes y de efecto invernadero a la atmosfera. Las diferencias entre cada tecnología térmica dependen del ciclo termodinámico y combustible a utilizar.
Termoeléctrica convencional
Siendo la tecnología más antigua para la generación de electricidad -junto con la hidroeléctrica-, la termoeléctrica o térmica convencional utiliza el ciclo termodinámico Rankine para transformar la energía del vapor -por la expansión del vapor- en energía mecánica, haciendo uso de una turbina de vapor.
La producción de vapor se lleva a cabo en una caldera convencional, donde se usa cualquier combustible para calentar agua.
Dependiendo del tipo de combustible que utilice, es el nombre que se le asigne a la tecnología: si utilizan carbón, se le denomina carboeléctrica; con biomasa es central de biogás. Las centrales que utilizan gas natural, combustóleo o diésel sólo se les denomina con el mismo nombre: térmica convencional.
Central térmica convencional | Fuente: Moran, M., & Shapiro, H. (2006). Fundamentals of Engineerings Thermodynamics
Las ventajas de estas centrales es la capacidad de generación -en México hay centrales que van desde los 30 MW hasta los 700 MW-; el predio a utilizar es de menor tamaño comparado con una fotovoltaica de la misma capacidad, pueden mantener una carga estable, un factor de planta entre 65 % y 75 % y ofrecer reservas rodantes.
Entre sus desventajas se encuentran el alto costo de inversión, así como el de operación y mantenimiento, tanto fijos como variables -su principal costo es el combustible-; son contaminantes, tardan varias horas en arrancar y su eficiencia (con respecto al poder calorífico del combustible) está entre el 30 % y 40 %.
Turbogas
La Turbogas, o turbina de gas, utiliza el ciclo termodinámico Joule – Brayton y es la misma tecnología que utiliza un motor de avión (turbojet). El proceso inicia aumentando la presión del aire en un compresor, se mezcla con el combustible y realiza la combustión, acto seguido, se expande esa mezcla en la turbina donde se transforma a energía mecánica (la cual es utilizada para operar el compresor). En un avión, la energía es utilizada como propulsión, en una central eléctrica, la energía se utiliza en otra etapa de turbina para darle energía a un generador eléctrico.
Sus principales ventajas son:
- Tamaño: estas unidades pueden ser del tamaño de un contenedor de tráiler.
- Arranque: pueden arrancar en 10 minutos, maniobra que le permite ofrecer reservas no rodantes.
Entre sus desventajas se tiene:
- Alto costo de generación
- Son muy contaminantes (principalmente las que utilizan diésel)
- Eficiencia del 30% al 35%
- Factor de planta del 12% al 18%
Ciclo combinado
El ciclo combinado, como su nombre lo dice, combina dos tecnologías para producir electricidad de manera más eficiente. Utiliza la turbina de gas y de vapor; si bien, los ciclos trabajan de manera independiente, estas centrales utilizan los gases de escape de la turbina de gas para producir vapor a través de una caldera de recuperación. De esta forma se evita el consumo de combustible para la producción de vapor, lo que implica una mayor eficiencia y un menor impacto ecológico.
Central ciclo combinado | Fuente: Breeze, P. (2014). Power Generation Technologies
Los ciclos combinados pueden operar con una o más turbinas de gas por cada turbina de vapor (1×1, 2×1, 3×1, 3×2) y cada turbina tiene su propio generador eléctrico. O bien, pueden tener un generador eléctrico conectado a ambas turbinas en un solo eje (únicamente en arreglos de 1×1).
Aquí se pueden mezclar algunas de las ventajas de la térmica convencional y la Turbogas. Además, cuenta con una eficiencia entre el 50% y el 80%, un factor de planta superior al 80%, es menos contaminante debido a la caldera de recuperación, la mayoría funciona con gas natural e incluso requieren de un menor espacio para su instalación comparado con una térmica convencional de la misma capacidad; también, su costo de inversión es menor. Ofrecen reservas y pueden regular su generación con respecto a la variación de la demanda.
Combustión interna
Un motor de combustión interna es cualquier máquina donde el fluido de trabajo (principalmente aire) entra en contacto con la combustión, por lo tanto, la turbina de gas, los motores de autos, y demás, son motores de combustión interna. Sin embargo, para el mercado eléctrico, se les asigna este nombre a los motores alternativos (de pistones) que trabajan con el ciclo termodinámico diésel -conocidos por su uso en camiones o barcos-.
Este motor puede utilizar como combustible el diésel, combustóleo, gas natural o algún otro destilado ligero de petróleo. Entre sus ventajas es una mayor eficiencia que la Turbogas y un menor costo utilizando el mismo combustible. De sus desventajas destaca un sistema más complejo y los mantenimientos pueden ser más prolongados.
Central de combustión interna | Fuente: Breeze, P. (2014). Power Generation Technologies
Estas unidades son muy útiles en sistemas aislados o de difícil acceso para el gas natural. Igualmente son utilizados en sistemas de emergencia. Las unidades más grandes pueden alcanzar los 45 MW de potencia.
Central nuclear
La central nuclear funciona con el mismo principio de una térmica convencional, con una turbina de vapor. Lo distinto, como en toda tecnología diferente, es la forma de producir el vapor. En esta central se utiliza la fisión nuclear del uranio 235, liberando calor a un circuito de agua. El agua tiene un doble propósito, transformarla en vapor para la turbina y enfriar el reactor nuclear.
Este tipo de centrales suelen ser de gran capacidad; Laguna Verde, la única central nuclear de México, cuenta con dos unidades de 800 MW cada una, son las turbinas de vapor más grandes del país.
Conclusiones
En un sistema eléctrico se debe garantizar la Confiabilidad sin importar el costo de la generación eléctrica. Para esto, es necesario tener gran variedad de tecnologías de generación y capacidad instalada disponible.
Si bien, las centrales renovables tienen una mayor aceptación social por su impacto ambiental y menor costo de generación, éstas no podrían garantizar la confiabilidad del sistema debido a la disponibilidad limitada de los recursos naturales. Pese a esto, se busca gratificar su generación para propiciar una mayor instalación de estas centrales.
Por otro lado, las centrales térmicas sí podrían garantizar la confiabilidad del sistema, como se hizo en el siglo pasado. Sin embargo, el cambio climático y la disponibilidad de combustibles han provocado que estas centrales tengan una menor aceptación social, incluso, se ha buscado penalizar su uso.
Lo más importante en la generación es aprovechar todas las ventajas de cada tecnología y minimizar las desventajas compensándolas con el uso de otras tecnologías.
[1] Porcentaje de energía calorífica transformada en trabajo útil.
[2] Relación de energía eléctrica producida por un generador y la energía producida por el mismo generador a capacidad máxima en el mismo periodo.
[3] Potencia entregada al SEN.
[4] Es el costo que tiene una central por kWh considerando su costo de inversión, costo nivelado de combustible y los costos fijos y variables de operación y mantenimiento.
Con amplia experiencia en centrales eléctricas y vigilancia de mercados eléctricos. Adicionalmente, ha desarrollado actividades de monitoreo de las Unidades de Central Eléctricas, desde su registro en el Sistema Eléctrico Mayorista, Ofertas de Venta de energía, hasta el nivel y tipo de indisponibilidad que presentan. Rubén es ingeniero en Aeronáutica por el Instituto Politécnico Nacional y Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica con especialización en turbomáquina por la misma universidad.
