Un arranque en negro es el proceso de restablecer el funcionamiento de una central eléctrica o de una parte de una red eléctrica sin depender de la red externa de transmisión de energía eléctrica para recuperarse de un apagado total o parcial. [1]
La energía para reiniciar una estación generadora puede provenir de un generador de reserva en el sitio. Alternativamente, cuando se requiere una gran cantidad de energía, se puede utilizar una línea de conexión a otra planta generadora para iniciar la instalación. Una vez que las unidades generadoras principales estén en funcionamiento, se podrá reconectar la red de transmisión eléctrica y restablecer las cargas eléctricas.
La energía de arranque en negro puede garantizarse mediante un acuerdo en el que se paga a un proveedor de energía en particular para que tenga energía de arranque en negro disponible cuando sea necesario. No todas las plantas generadoras son adecuadas para suministrar energía de arranque en negro a una red.
Las plantas de generación eléctrica requieren energía eléctrica para operar los sistemas requeridos en la planta. Por ejemplo, una planta alimentada con carbón requiere transportadores, trituradoras, compresores de aire y ventiladores de aire de combustión para funcionar. Las plantas de ciclo de vapor requieren bombas grandes para hacer circular el agua de las calderas de vapor y para enfriar el agua condensada. Las plantas hidroeléctricas requieren energía para abrir las compuertas de entrada y ajustar las turbinas hidráulicas para regular la velocidad. Incluso una planta de turbina eólica puede requerir una cantidad relativamente pequeña de energía eléctrica para cosas tales como ajustar el paso y la dirección de las aspas.
Normalmente, la energía eléctrica utilizada dentro de la planta es proporcionada por los propios generadores de la estación. Si todos los generadores principales de la planta están apagados, la energía de servicio de la estación se proporciona extrayendo energía de la red a través de la línea de transmisión de la planta. Sin embargo, durante un apagón en un área amplia , la energía externa de la red no está disponible. En ausencia de energía de la red, es necesario realizar un llamado arranque en negro para poner la red eléctrica en funcionamiento.
Para proporcionar un arranque en negro, algunas centrales eléctricas tienen pequeños generadores diésel in situ , normalmente llamados generador diésel de arranque en negro (BSDG), que se pueden utilizar para arrancar generadores más grandes (de varios megavatios de capacidad), que a su vez se pueden utilizar para poner en marcha los generadores de la central eléctrica principal. Las plantas de generación que utilizan turbinas de vapor requieren una potencia de servicio de la estación de hasta el 10% de su capacidad para las bombas de agua de alimentación de calderas , sopladores de aire de combustión de tiro forzado de calderas y para la preparación de combustible. No es económico proporcionar una capacidad de reserva tan grande en cada estación, por lo que se debe proporcionar energía de arranque en negro a través de líneas de conexión designadas desde otra estación.
A menudo se designan centrales hidroeléctricas como fuentes de arranque en negro para restablecer las interconexiones de la red. Una central hidroeléctrica necesita muy poca energía inicial para su arranque (la suficiente para abrir las compuertas de entrada y proporcionar corriente de excitación a las bobinas del generador) y puede poner en línea un gran bloque de energía muy rápidamente para permitir el arranque de combustibles fósiles o estaciones nucleares. Ciertos tipos de turbinas de combustión se pueden configurar para un arranque en negro, lo que proporciona otra opción en lugares sin plantas hidroeléctricas adecuadas. [2] En 2017, una empresa de servicios públicos del sur de California demostró con éxito el uso de un sistema de almacenamiento de energía basado en baterías para proporcionar un arranque en negro, encendiendo una turbina de gas de ciclo combinado desde un estado inactivo. [3]
Un método de inicio en negro (basado en un escenario real) podría ser el siguiente:
Finalmente, la energía se vuelve a aplicar a la red general de distribución de electricidad y se envía a los consumidores. A menudo esto sucederá gradualmente; iniciar toda la red a la vez puede resultar inviable. En particular, después de un largo apagón durante el verano, todos los edificios estarán calientes, y si se restableciera la energía de inmediato, la demanda de las unidades de aire acondicionado por sí solas sería más de lo que la red podría satisfacer. En climas más fríos, puede ocurrir un problema similar en invierno con el uso de dispositivos de calefacción.
En una grilla más grande, además de este enfoque de "isla única" ("de abajo hacia arriba"), se pueden involucrar diferentes estrategias: [4] [5]
Existen múltiples métodos para iniciar un arranque en negro de una isla: represas hidroeléctricas, generadores diésel, turbinas de gas de ciclo abierto, almacenes de baterías a escala de red, almacenamiento de aire comprimido, etc. Diferentes redes de generación adoptan enfoques diferentes, dependiendo de factores como el costo, la complejidad, la disponibilidad de recursos locales (por ejemplo, valles adecuados para represas), la interconectividad con otras redes de generación y el tiempo de respuesta necesario para el proceso de inicio en negro.
En el Reino Unido , el operador de la red tiene acuerdos comerciales con algunos generadores para proporcionar capacidad de arranque en negro, reconociendo que las instalaciones de arranque en negro a menudo no son económicas en el funcionamiento normal de la red. [11] Es típico de las centrales eléctricas de la era de la Junta Central de Generación de Electricidad tener varias turbinas de gas de ciclo abierto (es decir, sin módulos de recuperación de calor conectados) que pueden hacer funcionar la totalidad de la planta necesaria para operar una generación completa. unidad; normalmente estos serían arrancados por generadores diésel, alimentados a su vez por baterías de respaldo. Una vez que estén funcionando, estas turbinas de gas son capaces de hacer funcionar toda la planta asociada con el resto de la central eléctrica, eliminando la necesidad de traer energía de otras fuentes.
En los operadores de sistemas independientes de América del Norte , la adquisición de arranque en negro varía algo. Tradicionalmente, la capacidad de arranque en negro la proporcionaban empresas de servicios públicos integradas y los costos se incorporaban a una tarifa amplia para recuperar los costos de los contribuyentes. En aquellas zonas que no forman parte de mercados eléctricos organizados, este sigue siendo el mecanismo de contratación habitual. En el entorno desregulado, este legado de provisión basada en costos ha persistido, e incluso las recientes revisiones de las prácticas de adquisiciones de inicio en negro, como la de ISO New England , no necesariamente han cambiado hacia una contratación competitiva, a pesar de que las jurisdicciones desreguladas tienen un sesgo hacia las soluciones de mercado en lugar de las soluciones de costo de servicio (COS).
En los Estados Unidos, existen actualmente tres métodos para conseguir Black Start. El más común es el costo del servicio, ya que es el más sencillo y el método tradicional. Actualmente es utilizado por el Operador del Sistema Independiente de California (CAISO), la Interconexión PJM [12] y el Operador del Sistema Independiente de Nueva York [13] (NYISO). Aunque los mecanismos exactos difieren algo, se utiliza el mismo enfoque, es decir, que las unidades se identifican para el arranque en negro y luego sus costos documentados se financian y se incorporan a una tarifa para la recuperación de costos.
El segundo método es un nuevo método utilizado por el Operador de Sistema Independiente de Nueva Inglaterra [14] (ISO-NE). La nueva metodología es un pago a tanto alzado que aumenta la remuneración inicial para fomentar la provisión. La compensación mensual pagada a un generador se determina multiplicando una tarifa fija (en $/kWyr y denominada valor $Y) por la capacidad reclamada mensual de la unidad para ese mes. El objetivo de este cambio era simplificar las adquisiciones y fomentar la prestación del servicio Black Start.
El último método de adquisición es la contratación competitiva utilizada por el Consejo de Confiabilidad Eléctrica de Texas [15] (ERCOT). Bajo este enfoque, ERCOT gestiona un mercado de servicios de arranque en negro. Los participantes interesados presentan un costo de reserva por hora en $/h (por ejemplo, $70 por hora), a menudo denominado oferta de disponibilidad, que no está relacionado con la capacidad de la unidad. Utilizando varios criterios, ERCOT evalúa estas ofertas y las unidades seleccionadas se pagan como oferta, suponiendo una disponibilidad del 85%. Cada unidad de arranque en negro debe poder demostrar que puede arrancar otra unidad cercana para comenzar el aislamiento y la sincronización de la red.
En otras jurisdicciones existen diferentes métodos de contratación. El operador del sistema de Nueva Zelanda [16] adquiere la capacidad de arranque negro mediante una licitación pública. Otras jurisdicciones también parecen tener algún tipo de contratación competitiva, aunque quizás no tan estructurada como la de ERCOT. Estos incluyen el Operador del Sistema Eléctrico de Alberta , [17] así como el Operador Independiente del Sistema Eléctrico de Ontario, [18] los cuales utilizan un enfoque de "solicitud de propuestas" a largo plazo similar al de Nueva Zelanda y ERCOT.
El primer arranque en negro de la red eléctrica alemana se probó en 2017 en la central eléctrica de baterías WEMAG en Schwerin, en una red desconectada y aislada. La planta de baterías de WEMAG demostró que puede restablecer la red eléctrica después de una avería importante o un apagón. [19]
No todas las plantas generadoras son adecuadas para la capacidad de arranque en negro. Las turbinas eólicas no siempre son adecuadas para el arranque en negro porque es posible que el viento no esté disponible cuando sea necesario. [20] Las turbinas eólicas, las minicentrales hidroeléctricas o las microcentrales hidroeléctricas suelen estar conectadas a generadores de inducción que son incapaces de proporcionar energía para volver a energizar la red. [21] En 2020, el parque eólico de Dersalloch, de 69 MW, puso en marcha en negro parte de la red de Escocia, utilizando máquinas síncronas virtuales . [22] [23] La unidad de arranque en negro también debe ser estable cuando se opera con la gran carga reactiva de una línea de transmisión larga. Muchas estaciones convertidoras de corriente continua de alto voltaje (HVDC) tampoco pueden operar en un sistema "inactivo", ya que requieren energía de conmutación [ se necesita aclaración ] del sistema en el extremo de carga. Un esquema HVDC de convertidor de fuente de voltaje basado en modulación de ancho de pulso (PWM) no tiene tal restricción. [24]
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