El factor de capacidad neta es la relación sin unidades entre la producción de energía eléctrica real durante un período de tiempo determinado y la producción máxima teórica de energía eléctrica durante ese período. [1] La producción máxima teórica de energía de una instalación determinada se define como la que se debe a su funcionamiento continuo a plena capacidad nominal durante el período pertinente. El factor de capacidad se puede calcular para cualquier instalación productora de electricidad, como una central eléctrica que consume combustible o una que utiliza energía renovable , como la eólica, el sol o las instalaciones hidroeléctricas. El factor de capacidad promedio también se puede definir para cualquier clase de dichas instalaciones y se puede utilizar para comparar diferentes tipos de producción de electricidad.
La producción real de energía durante ese período y el factor de capacidad varían en gran medida dependiendo de una serie de factores. El factor de capacidad nunca puede superar el factor de disponibilidad o el tiempo de actividad durante el período. El tiempo de actividad puede verse reducido debido, por ejemplo, a problemas de fiabilidad y mantenimiento, programado o no programado. Otros factores incluyen el diseño de la instalación, su ubicación, el tipo de producción de electricidad y, con ello, el combustible que se utiliza o, en el caso de las energías renovables, las condiciones meteorológicas locales. Además, el factor de capacidad puede estar sujeto a restricciones regulatorias y fuerzas del mercado , lo que podría afectar tanto a la compra de combustible como a la venta de electricidad.
El factor de capacidad se calcula a menudo en una escala de tiempo de un año, promediando la mayoría de las fluctuaciones temporales. Sin embargo, también se puede calcular para un mes para obtener información sobre las fluctuaciones estacionales. Alternativamente, se puede calcular durante la vida útil de la fuente de energía, tanto durante su funcionamiento como después de su desmantelamiento. Un factor de capacidad también se puede expresar y convertir en horas de carga completa .
Las centrales nucleares se encuentran en el extremo superior del rango de factores de capacidad, idealmente reducidos solo por el factor de disponibilidad , es decir, el mantenimiento y el reabastecimiento de combustible. La planta nuclear más grande de los EE. UU., la Central Nuclear de Palo Verde, tiene entre sus tres reactores una capacidad nominal de 3.942 MW. En 2010, su generación anual fue de 31.200.000 MWh, [2] lo que da como resultado un factor de capacidad de:
Cada uno de los tres reactores de Palo Verde se recarga cada 18 meses, y una vez cada primavera y otoño. En 2014, se completó una recarga en un tiempo récord de 28 días, [3] en comparación con los 35 días de inactividad a los que corresponde el factor de capacidad de 2010.
En 2019, Prairie Island 1 fue la unidad estadounidense con el factor más alto y de hecho alcanzó el 104,4%. [4]
El parque eólico marino danés Horns Rev 2 tiene una capacidad nominal de 209,3 MW. A fecha de enero de 2017 [actualizar]ha producido 6416 GWh desde su puesta en servicio hace 7 años, es decir, una producción media anual de 875 GWh/año y un factor de capacidad de:
Los sitios con factores de capacidad más bajos pueden considerarse viables para parques eólicos, por ejemplo, el parque eólico terrestre Fosen Vind de 1 GW que, a partir de 2017, [actualizar]está en construcción en Noruega y tiene un factor de capacidad proyectado del 39 %. Los cálculos de viabilidad pueden verse afectados por la estacionalidad. Por ejemplo, en Finlandia, el factor de capacidad durante los meses fríos de invierno es más del doble en comparación con julio. [6] Si bien el promedio anual en Finlandia es del 29,5 %, [6] la alta demanda de energía para calefacción se correlaciona con el mayor factor de capacidad durante el invierno.
Algunos parques eólicos terrestres pueden alcanzar factores de capacidad superiores al 60%; por ejemplo, la planta Eolo de 44 MW en Nicaragua tuvo una generación neta de 232,132 GWh en 2015, equivalente a un factor de capacidad del 60,2%, [7] mientras que los factores de capacidad anuales de los Estados Unidos entre 2013 y 2016 oscilan entre el 32,2% y el 34,7%. [8]
Dado que el factor de capacidad de una turbina eólica mide la producción real en relación con la producción posible, no está relacionado con el coeficiente de Betz de 16/27 59,3%, que limita la producción frente a la energía disponible en el viento.
En 2017, la presa de las Tres Gargantas en China, con una capacidad nominal de 22.500 MW, es la central eléctrica más grande del mundo por capacidad instalada. En 2015 generó 87 TWh, lo que representa un factor de capacidad de:[actualizar]
La presa Hoover tiene una capacidad nominal de 2080 MW [9] y una generación anual promedio de 4,2 TW·h. [9] (La generación anual ha variado entre un máximo de 10,348 TW·h en 1984 y un mínimo de 2,648 TW·h en 1956. [9] ). Si tomamos la cifra promedio de generación anual, obtenemos un factor de capacidad de:
En el rango bajo de factores de capacidad se encuentra la central eléctrica fotovoltaica , que suministra energía a la red eléctrica desde un sistema fotovoltaico a gran escala (sistema FV). Un límite inherente a su factor de capacidad proviene de su requisito de luz natural , preferiblemente con un sol sin obstrucciones de nubes, humo o smog , sombra de árboles y estructuras de edificios. Dado que la cantidad de luz solar varía tanto con la hora del día como con las estaciones del año, el factor de capacidad generalmente se calcula sobre una base anual. La cantidad de luz solar disponible está determinada principalmente por la latitud de la instalación y la cobertura de nubes local. La producción real también está influenciada por factores locales como el polvo y la temperatura ambiente, que idealmente debería ser baja. Como para cualquier central eléctrica, la máxima producción de energía posible es la capacidad nominal multiplicada por el número de horas en un año, mientras que la producción real es la cantidad de electricidad suministrada anualmente a la red.
Por ejemplo, el Proyecto Solar Agua Caliente , ubicado en Arizona cerca del paralelo 33 y premiado por su excelencia en energía renovable, tiene una capacidad nominal de 290 MW y una producción anual promedio real de 740 GWh/año. Su factor de capacidad es:
Un factor de capacidad significativamente menor lo consigue el parque energético de Lauingen , situado en Baviera , cerca del paralelo 49. Con una capacidad nominal de 25,7 MW y una producción media anual real de 26,98 GWh/año, tiene un factor de capacidad del 12,0%.
Existen varias razones por las que una planta podría tener un factor de capacidad inferior al 100%. Entre ellas se incluyen limitaciones técnicas, como la disponibilidad de la planta, razones económicas y la disponibilidad del recurso energético.
Una planta puede estar fuera de servicio o funcionando a una producción reducida durante parte del tiempo debido a fallas en los equipos o al mantenimiento de rutina. Esto representa la mayor parte de la capacidad no utilizada de las plantas de energía de carga base . Las plantas de carga base suelen tener bajos costos por unidad de electricidad porque están diseñadas para lograr la máxima eficiencia y funcionan de manera continua a una producción alta. Las plantas de energía geotérmica , las plantas de energía nuclear , las plantas de carbón y las plantas de bioenergía que queman material sólido casi siempre funcionan como plantas de carga base, ya que puede ser difícil ajustarlas para satisfacer la demanda.
Una planta también puede tener su producción reducida o dejarla inactiva intencionalmente porque la electricidad no es necesaria o porque el precio de la electricidad es demasiado bajo para que la producción sea económica. Esto representa la mayor parte de la capacidad no utilizada de las plantas de energía de pico y las plantas de energía de seguimiento de carga . Las plantas de pico pueden operar solo unas pocas horas al año o hasta varias horas al día. Muchas otras plantas de energía operan solo en ciertos momentos del día o del año debido a la variación en las cargas y los precios de la electricidad. Si una planta solo se necesita durante el día, por ejemplo, incluso si funciona a plena potencia de 8 am a 8 pm todos los días (12 horas) durante todo el año, solo tendría un factor de capacidad del 50%. Debido a los bajos factores de capacidad, la electricidad de las plantas de energía de pico es relativamente cara porque la generación limitada tiene que cubrir los costos fijos de la planta.
Una tercera razón es que una planta puede no tener el combustible disponible para operar todo el tiempo. Esto puede aplicarse a las centrales generadoras de combustible fósil con suministros de combustibles restringidos, pero se aplica más notablemente a los recursos renovables intermitentes. [10] Las turbinas solares fotovoltaicas y eólicas tienen un factor de capacidad limitado por la disponibilidad de su "combustible", la luz solar y el viento respectivamente. Una planta hidroeléctrica puede tener un factor de capacidad inferior al 100% debido a la restricción o escasez de agua, o su producción puede estar regulada para que coincida con la necesidad de energía actual, conservando el agua almacenada para su uso posterior.
Otras razones por las que una planta de energía puede no tener un factor de capacidad del 100% incluyen restricciones o limitaciones en los permisos de aire y limitaciones en la transmisión que obligan a la planta a reducir la producción.
En el caso de las fuentes de energía renovables , como la energía solar , la energía eólica y la hidroelectricidad , la principal razón para la reducción del factor de capacidad es generalmente la disponibilidad de la fuente de energía. La planta puede ser capaz de producir electricidad, pero su "combustible" ( viento , luz solar o agua ) puede no estar disponible. La producción de una planta hidroeléctrica también puede verse afectada por los requisitos para evitar que el nivel del agua suba o baje demasiado y para proporcionar agua para los peces río abajo. Sin embargo, las plantas solares, eólicas e hidroeléctricas tienen altos factores de disponibilidad , por lo que cuando tienen combustible disponible, casi siempre pueden producir electricidad. [11]
Cuando las centrales hidroeléctricas tienen agua disponible, también son útiles para el seguimiento de la carga, debido a su alta capacidad de despacho . Los operadores de una central hidroeléctrica típica pueden hacerla pasar de un estado de parada a una potencia máxima en apenas unos minutos.
Los parques eólicos son variables, debido a la variabilidad natural del viento. Para un parque eólico, el factor de capacidad está determinado por la disponibilidad de viento, el área barrida por la turbina y el tamaño del generador . La capacidad de la línea de transmisión y la demanda de electricidad también afectan el factor de capacidad. Los factores de capacidad típicos de los parques eólicos actuales están entre el 25 y el 45%. [12] En el Reino Unido, durante el período de cinco años de 2011 a 2019, el factor de capacidad anual para la energía eólica fue superior al 30%. [13] [14] [15] [16]
La energía solar es variable debido a la rotación diaria de la Tierra, los cambios estacionales y la cobertura de nubes. Por ejemplo, el Distrito Municipal de Servicios Públicos de Sacramento observó un factor de capacidad del 15% en 2005. [17] Sin embargo, según el programa SolarPACES de la Agencia Internacional de Energía (AIE), las plantas de energía solar diseñadas para la generación únicamente de energía solar se adaptan bien a las cargas pico del mediodía de verano en áreas con demandas significativas de refrigeración, como España o el suroeste de los Estados Unidos , [18] aunque en algunos lugares la energía solar fotovoltaica no reduce la necesidad de generación de actualizaciones de la red dado que la demanda máxima de aire acondicionado a menudo ocurre a última hora de la tarde o a primera hora de la noche, cuando la producción solar se reduce. [19] [20] SolarPACES afirma que mediante el uso de sistemas de almacenamiento de energía térmica, los períodos de funcionamiento de las centrales de energía solar térmica (CSP) pueden extenderse para que sean despachables (siguiendo la carga). [18]
La energía geotérmica tiene un factor de capacidad mayor que muchas otras fuentes de energía y los recursos geotérmicos generalmente están disponibles todo el tiempo.
Según la Administración de Información Energética de Estados Unidos (EIA), de 2013 a 2017 los factores de capacidad de los generadores a gran escala fueron los siguientes: [30]
Sin embargo, estos valores suelen variar significativamente según el mes.
El Departamento de Energía y Cambio Climático recopiló las siguientes cifras sobre los factores de capacidad para varios tipos de plantas en la red eléctrica del Reino Unido: [31] [13] [32] [14] [ 33] [ 15] [ 34] [16] [35] [36]
