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 de energía eléctrica máxima teórica durante ese período. [1] La producción energética máxima teórica de una instalación determinada se define como la debida a su funcionamiento continuo a la capacidad máxima nominal durante el período correspondiente. El factor de capacidad se puede calcular para cualquier instalación productora de electricidad, como una central que consuma combustible o una que utilice energías renovables , como la eólica, la solar 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 de energía real durante ese período y el factor de capacidad varían mucho dependiendo de una variedad de factores. El factor de capacidad nunca puede exceder el factor de disponibilidad o tiempo de actividad durante el período. El tiempo de actividad se puede reducir debido, por ejemplo, a problemas de confiabilidad y mantenimiento, programados o no programados. Otros factores incluyen el diseño de la instalación, su ubicación, el tipo de producción de electricidad y, con ello, el combustible utilizado o, en el caso de las energías renovables, las condiciones climáticas locales. Además, el factor de capacidad puede estar sujeto a restricciones regulatorias y fuerzas del mercado , lo que podría afectar tanto su compra de combustible como su venta de electricidad.
El factor de capacidad a menudo se calcula en una escala de tiempo de un año, promediando la mayoría de las fluctuaciones temporales. Sin embargo, también se puede calcular durante un mes para obtener información sobre las fluctuaciones estacionales. Alternativamente, se puede calcular a lo largo de la vida útil de la fuente de energía, tanto mientras está en funcionamiento como después de su desmantelamiento. Un factor de capacidad también se puede expresar y convertir a horas de carga completa .
Las centrales nucleares se encuentran en el extremo superior de la gama de factores de capacidad, idealmente reducidas sólo por el factor de disponibilidad , es decir, mantenimiento y reabastecimiento de combustible. La central nuclear más grande de EE. UU., la central nuclear 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 lleva a un factor de capacidad de:
Cada uno de los tres reactores de Palo Verde se recarga de combustible cada 18 meses, y uno de ellos cada primavera y otoño. En 2014, un reabastecimiento de combustible se completó en un tiempo récord de 28 días, [3] en comparación con los 35 días de inactividad que corresponde al 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 enero de 2017 [actualizar]ha producido 6416 GWh desde su puesta en funcionamiento 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 factibles para parques eólicos; por ejemplo, el Fosen Vind terrestre de 1 GW que a partir de 2017 [actualizar]está en construcción en Noruega 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 fríos meses de invierno es más del doble en comparación con julio. [6] Mientras que 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.
Ciertos 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 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.
A partir de 2017, la presa [actualizar]de las Tres Gargantas en China es, con su capacidad nominal de 22.500 MW, la central generadora de energía más grande del mundo por capacidad instalada. En 2015 generó 87 TWh, para un factor de capacidad de:
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] ). Tomando la cifra promedio de generación anual se obtiene un factor de capacidad de:
En el rango bajo de factores de capacidad se encuentra la central fotovoltaica , que suministra energía a la red eléctrica desde un sistema fotovoltaico a gran escala (sistema fotovoltaico). Un límite inherente a su factor de capacidad proviene de su necesidad de luz natural , preferiblemente con un sol no obstruido por 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 normalmente se calcula anualmente. La cantidad de luz solar disponible está determinada principalmente por la latitud de la instalación y la nubosidad local. La producción real también se ve influenciada por factores locales como el polvo y la temperatura ambiente, que idealmente debería ser baja. Como ocurre con cualquier central eléctrica, la producción máxima 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 entregada 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 entonces:
Un factor de capacidad significativamente menor lo consigue el Lauingen Energy Park, situado en Baviera , cerca del paralelo 49. Con una capacidad nominal de 25,7 MW y una producción anual promedio real de 26,98 GWh/año, tiene un factor de capacidad del 12,0%.
Hay varias razones por las que una planta tendría un factor de capacidad inferior al 100%. Estas incluyen limitaciones técnicas, como la disponibilidad de la planta, razones económicas y disponibilidad del recurso energético.
Una planta puede estar fuera de servicio o funcionando con una producción reducida durante parte del tiempo debido a fallas en el equipo o al mantenimiento de rutina. Esto representa la mayor parte de la capacidad no utilizada de las centrales eléctricas de carga base . Las plantas de carga base suelen tener costos bajos por unidad de electricidad porque están diseñadas para lograr la máxima eficiencia y funcionan continuamente a un alto rendimiento. Las plantas de energía geotérmica , las centrales nucleares , las plantas alimentadas con carbón y las plantas de bioenergía que queman material sólido casi siempre funcionan como plantas de carga base, ya que puede resultar difícil adaptarlas a la demanda.
También se puede reducir la producción de una planta 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 centrales eléctricas de pico y de las centrales eléctricas de seguimiento de carga . Las plantas de máxima actividad pueden funcionar sólo unas pocas horas al año o hasta varias horas al día. Muchas otras centrales eléctricas funcionan sólo en ciertos momentos del día o del año debido a la variación en las cargas y los precios de la electricidad. Si una planta sólo 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 factores de baja capacidad, la electricidad procedente de las centrales eléctricas de máxima demanda es relativamente cara porque la generación limitada tiene que cubrir los costes fijos de la central.
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 fósiles con suministros restringidos de combustibles, pero se aplica sobre todo a los recursos renovables intermitentes. [10] La energía solar fotovoltaica y las turbinas 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 restricción o escasez de agua, o su producción puede regularse para satisfacer la necesidad de energía actual, conservando el agua almacenada para su uso posterior.
Otras razones por las que una central eléctrica puede no tener un factor de capacidad del 100% incluyen restricciones o limitaciones en los permisos aéreos y limitaciones en la transmisión que obligan a la planta a reducir la producción.
Para las fuentes de energía renovables como la energía solar , la energía eólica y la hidroelectricidad , la razón principal del factor de capacidad reducido 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 a los peces río abajo. Sin embargo, las plantas solares, eólicas e hidroeléctricas sí tienen altos factores de disponibilidad , por lo que cuando tienen combustible disponible, casi siempre son capaces de producir electricidad. [11]
Cuando las centrales hidroeléctricas tienen agua disponible, también son útiles para el seguimiento de carga, debido a su alta manejabilidad . Los operadores de una planta hidroeléctrica típica pueden llevarla desde una condición parada a plena potencia en sólo 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 de 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 se encuentran entre el 25 y el 45%. [12] En el Reino Unido, durante el período de cinco años comprendido entre 2011 y 2019, el factor de capacidad anual de la energía eólica superó el 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 generación exclusivamente solar se adaptan bien a las necesidades de verano. cargas máximas del mediodía en áreas con importantes demandas 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 en las horas pico. al final de la tarde o temprano en la noche cuando se reduce la producción solar. [19] [20] SolarPACES afirma que mediante el uso de sistemas de almacenamiento de energía térmica, los períodos de funcionamiento de las estaciones de energía solar térmica (CSP) se pueden ampliar para que sean gestionables (siguiente de carga). [18]
La geotermia tiene un factor de capacidad más alto que muchas otras fuentes de energía y los recursos geotérmicos generalmente están disponibles todo el tiempo.
Según la Administración de Información Energética (EIA) de EE. UU., de 2013 a 2017 los factores de capacidad de los generadores a escala de servicios públicos fueron los siguientes: [31]
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 del Reino Unido: [32] [13] [33] [14] [34] [15] [35] [16] [36] [37]
