Un arranque en negro es el proceso de restablecer una central eléctrica , una parte de una red eléctrica o una planta industrial, a su funcionamiento sin depender de la red de transmisión de energía eléctrica externa para recuperarse de un apagado total o parcial. [1]
La energía necesaria para reiniciar una central o planta generadora puede provenir de un generador de reserva de arranque en negro en el lugar. Alternativamente, cuando se requiere una gran cantidad de energía, se puede utilizar una línea de conexión a otra planta generadora o a un generador de emergencia para poner en marcha la instalación. Una vez que las unidades generadoras principales estén funcionando, se puede volver a conectar la red de transmisión eléctrica y restablecer las cargas eléctricas.
La energía para arranque en negro puede garantizarse mediante un acuerdo en el que se paga a un proveedor de energía en particular para que proporcione energía para arranque en negro cuando sea necesario. No todas las plantas generadoras son adecuadas para proporcionar energía para arranque en negro a una red.
Las plantas generadoras de electricidad necesitan energía eléctrica para hacer funcionar los sistemas que se requieren en ellas. Por ejemplo, una planta alimentada con carbón necesita cintas transportadoras, trituradoras, compresores de aire y ventiladores de aire de combustión para funcionar. Las plantas de ciclo de vapor necesitan grandes bombas para hacer circular el agua para las calderas de vapor y para enfriar el agua condensada. Las plantas hidroeléctricas necesitan energía para abrir las compuertas de admisión y para ajustar las turbinas hidráulicas para regular la velocidad. Incluso una planta de turbinas eólicas puede requerir una cantidad relativamente pequeña de energía eléctrica para cosas como ajustar el paso y la dirección de las palas.
Normalmente, la energía eléctrica que se utiliza en la planta la proporcionan los propios generadores de la misma. Si todos los generadores principales de la planta se apagan, la energía de servicio de la planta se obtiene extrayendo energía de la red a través de la línea de transmisión de la planta. Sin embargo, durante un corte de energía en una zona extensa , no se dispone de energía de la red externa. En ausencia de energía de la red, se debe realizar un arranque en negro para poner en funcionamiento la red eléctrica.
Para proporcionar un arranque en negro, algunas centrales eléctricas o plantas tienen pequeños generadores diésel en el sitio , 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 arrancar los generadores principales de la central eléctrica. Las plantas generadoras que utilizan turbinas de vapor requieren una potencia de servicio de la central de hasta el 10% de su capacidad para bombas de agua de alimentación de calderas , sopladores de aire de combustión de tiro forzado de calderas y para la preparación del combustible. No es económico proporcionar una capacidad de reserva tan grande en cada estación, por lo que la energía de arranque en negro debe proporcionarse a través de líneas de enlace designadas desde otra estación.
A menudo, las centrales hidroeléctricas se designan como fuentes de arranque en negro para restablecer las interconexiones de la red. Una central hidroeléctrica necesita muy poca energía inicial para arrancar (solo la suficiente para abrir las compuertas de entrada y proporcionar corriente de excitación a las bobinas de campo del generador) y puede poner en línea un gran bloque de energía muy rápidamente para permitir el arranque de centrales nucleares o de combustibles fósiles . Ciertos tipos de turbinas de combustión pueden configurarse 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 una batería de iones de litio para proporcionar un arranque en negro, poniendo en marcha una turbina de gas de ciclo combinado desde un estado inactivo. [3]
Un método de arranque en negro (basado en un escenario real) podría ser el siguiente:
A menudo, esto sucederá de forma gradual; poner en funcionamiento toda la red de una sola vez puede resultar inviable. En particular, después de un corte prolongado durante el verano, todos los edificios estarán cálidos y, si se restableciera el suministro eléctrico de inmediato, la demanda de los aparatos de aire acondicionado por sí solos sería mayor 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 red más grande, además de este enfoque de "isla única" ("de abajo hacia arriba"), se pueden implementar diferentes estrategias: [4] [5]
Existen múltiples métodos para iniciar un arranque en negro en una isla: represas hidroeléctricas, generadores diésel, turbinas de gas de ciclo abierto, baterías de almacenamiento a escala de red, almacenamiento de aire comprimido, etc. Las distintas redes de generación adoptan diferentes enfoques, en función 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 arranque 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 una serie de turbinas de gas de ciclo abierto (es decir, sin módulos de recuperación de calor adjuntos) que pueden hacer funcionar la totalidad de la planta necesaria para operar una unidad generadora completa; estas normalmente serían puestas en marcha por generadores diésel, alimentados a su vez por baterías de respaldo. Una vez que alcanzan la velocidad, 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 contratación de servicios de arranque en negro varía un poco. Tradicionalmente, la capacidad de arranque en negro la proporcionaban las empresas de servicios públicos integradas y los costos se incluían en una tarifa amplia para recuperar los costos de los contribuyentes. En las zonas que no forman parte de los mercados organizados de electricidad, este sigue siendo el mecanismo de contratación habitual. En el entorno desregulado, este legado de prestación basada en los costos ha persistido, e incluso las recientes revisiones de las prácticas de contratación de arranque en negro, como la realizada por la ISO de Nueva Inglaterra , no han pasado necesariamente a una contratación competitiva, aunque las jurisdicciones desreguladas tienen una preferencia por las soluciones de mercado en lugar de las soluciones basadas en el costo del servicio (COS).
En los Estados Unidos, actualmente existen tres métodos para obtener el arranque en negro. El más común es el costo del servicio, ya que es el más simple y es el método tradicional. Actualmente lo utilizan el Operador Independiente del Sistema de California (CAISO), la Interconexión PJM [12] y el Operador Independiente del Sistema de Nueva York [13] (NYISO). Los mecanismos exactos difieren un poco, se utiliza el mismo enfoque, es decir, se identifican las unidades para el arranque en negro y luego se financian sus costos documentados y se incorporan a una tarifa para la recuperación de costos.
El segundo método es un nuevo método utilizado por el Operador Independiente del Sistema de Nueva Inglaterra [14] (ISO-NE). La nueva metodología es un pago a tanto alzado que aumenta la remuneración por arranque en negro para fomentar la prestación. La compensación mensual que se paga a un generador se determina multiplicando una tarifa fija (en $/kWyr y denominada valor $Y) por la Capacidad Mensual Reclamada de la unidad para ese mes. El propósito de este cambio fue simplificar la contratación y fomentar la prestación del servicio de arranque en negro.
El último método de adquisición es la adquisición competitiva, tal como lo utiliza el Consejo de Confiabilidad Eléctrica de Texas [15] (ERCOT). Con este enfoque, ERCOT gestiona un mercado para servicios de arranque en negro. Los participantes interesados presentan un costo de reserva por hora en $/hora (por ejemplo, $70 por hora), a menudo denominado oferta de disponibilidad, que no está relacionado con la capacidad de la unidad. ERCOT evalúa estas ofertas utilizando varios criterios y las unidades seleccionadas reciben el pago según la oferta, suponiendo una disponibilidad del 85%. Cada unidad de arranque en negro debe poder demostrar que puede poner en marcha otra unidad cercana, para comenzar el funcionamiento en isla y la sincronización de la red.
En otras jurisdicciones existen diferentes métodos de contratación. El Operador del Sistema de Nueva Zelanda [16] obtiene la capacidad de arranque en negro mediante licitación competitiva. Otras jurisdicciones también parecen tener algún tipo de contratación competitiva, aunque tal vez no tan estructurada como la de ERCOT. Entre ellas se encuentran el Operador del Sistema Eléctrico de Alberta [17] , así como el Operador Independiente del Sistema Eléctrico de Ontario [18], que utilizan un enfoque de "solicitud de propuestas" a largo plazo similar al de Nueva Zelanda y ERCOT.
En 2017, en la central de baterías de WEMAG en Schwerin, se probó por primera vez un arranque en negro en la red eléctrica de Alemania, en una red aislada y desconectada. La planta de baterías de WEMAG demostró que puede restablecer la red eléctrica después de una interrupción o un apagón importante. [19]
No todas las plantas generadoras son aptas para la capacidad de arranque en negro. Las turbinas eólicas no siempre son aptas para el arranque en negro porque el viento puede no estar disponible cuando se necesita. [20] Las turbinas eólicas, las plantas minihidráulicas o microhidráulicas , a menudo están conectadas a generadores de inducción que son incapaces de proporcionar energía para reenergizar la red. [21] En 2020, el parque eólico Dersalloch de 69 MW arrancó 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 funciona con la gran carga reactiva de una línea de transmisión larga. Muchas estaciones convertidoras de corriente continua de alto voltaje (HVDC) tampoco pueden funcionar en un sistema "muerto", ya que requieren energía de conmutación [ aclaración necesaria ] del sistema en el extremo de carga. Un esquema de HVDC de convertidor de fuente de voltaje basado en modulación de ancho de pulso (PWM) no tiene tal restricción. [24]
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