Una planta de energía de seguimiento de carga , considerada como productora de electricidad de valor medio o de precio medio, es una planta de energía que ajusta su producción de energía a medida que la demanda de electricidad fluctúa a lo largo del día. [1] Las plantas de seguimiento de carga suelen estar entre las plantas de carga base y las de pico en cuanto a eficiencia, velocidad de arranque y parada, costo de construcción, costo de la electricidad y factor de capacidad .
Las plantas de energía de carga base son plantas gestionables que tienden a operar a su máxima producción. [ cita necesaria ] Por lo general, apagan o reducen la energía solo para realizar mantenimiento o reparación o debido a limitaciones de la red. [2] Las centrales eléctricas que funcionan principalmente de esta manera incluyen plantas de carbón , fueloil , nucleares , geotérmicas , hidroeléctricas de pasada , biomasa y gas natural de ciclo combinado . [ cita necesaria ]
Las centrales eléctricas de máxima demanda funcionan sólo durante los momentos de máxima demanda. En países con aire acondicionado generalizado , la demanda alcanza su punto máximo alrededor de la mitad de la tarde, por lo que una planta de energía típica en un pico puede ponerse en marcha un par de horas antes de este punto y cerrarse un par de horas después. [ cita necesaria ] Sin embargo, la duración de funcionamiento de las plantas en pico varía desde una buena parte del día de vigilia hasta solo un par de docenas de horas por año. Las centrales eléctricas que alcanzan su punto máximo incluyen las centrales hidroeléctricas y las de turbinas de gas . Muchas plantas de energía con turbinas de gas pueden funcionar con gas natural, fueloil y/o diésel , lo que permite una mayor flexibilidad en la elección de operación; por ejemplo, mientras que la mayoría de las plantas de turbinas de gas queman principalmente gas natural, un suministro de fueloil y/o diésel A veces se tiene a mano en caso de que se interrumpa el suministro de gas. [ cita necesaria ] Otras turbinas de gas solo pueden quemar un único combustible.
Por el contrario, las centrales eléctricas de seguimiento de carga suelen funcionar durante el día y las primeras horas de la noche y funcionan en respuesta directa a los cambios en la demanda de suministro de energía. O cierran o reducen en gran medida la producción durante la noche y temprano en la mañana, cuando la demanda de electricidad es más baja. Las horas exactas de funcionamiento dependen de numerosos factores. Uno de los factores más importantes para una planta en particular es la eficiencia con la que puede convertir el combustible en electricidad. Las plantas más eficientes, que casi invariablemente son las menos costosas de operar por kilovatio-hora producido, son las primeras en ponerse en funcionamiento. A medida que aumenta la demanda, se ponen en funcionamiento las siguientes plantas más eficientes, y así sucesivamente. El estado de la red eléctrica en esa región, especialmente la capacidad de generación de carga base que tiene, y la variación en la demanda también son muy importantes. Un factor adicional de variabilidad operativa es que la demanda no varía sólo entre el día y la noche. También hay variaciones importantes en la época del año y el día de la semana. Una región que tiene grandes variaciones en la demanda requerirá una gran carga después de la capacidad máxima de la planta de energía porque las plantas de energía de carga base solo pueden cubrir la capacidad igual a la necesaria durante los momentos de menor demanda.
Las centrales eléctricas de seguimiento de carga pueden ser centrales hidroeléctricas, centrales eléctricas con motores diésel y de gas , centrales eléctricas con turbinas de gas de ciclo combinado y centrales eléctricas con turbinas de vapor que funcionan con gas natural o fueloil pesado, aunque las plantas de fueloil pesado representan una parte muy pequeña. del mix energético. Un modelo relativamente eficiente de turbina de gas que funcione con gas natural también puede ser una planta decente con seguimiento de carga.
Las centrales eléctricas de turbinas de gas son las más flexibles en términos de ajuste del nivel de potencia, pero también se encuentran entre las más caras de operar. Por lo tanto, generalmente se utilizan como unidades de "pico" en momentos de máxima demanda de energía o plantas de energía de cogeneración o ciclo combinado donde el calor residual de escape de la turbina se puede utilizar económicamente para generar energía térmica y eléctrica adicional para procesos o calefacción de espacios.
Las centrales eléctricas con motores diésel y de gas se pueden utilizar desde la carga base hasta la producción de energía de reserva debido a su alta flexibilidad general. Estas centrales eléctricas pueden ponerse en funcionamiento rápidamente para satisfacer las demandas de la red. Estos motores pueden funcionar de manera eficiente con una amplia variedad de combustibles, lo que aumenta su flexibilidad.
Algunas aplicaciones son: generación de energía de carga base, eólica-diesel, seguimiento de carga, cogeneración y trigeneración.
Las centrales hidroeléctricas pueden funcionar como centrales de carga base, de seguimiento de carga o de pico. Tienen la capacidad de comenzar en minutos y, en algunos casos, en segundos. El funcionamiento de la planta depende en gran medida de su suministro de agua, ya que muchas plantas no tienen suficiente agua para funcionar cerca de su capacidad máxima de forma continua. [ cita necesaria ]
Cuando existen represas hidroeléctricas o embalses asociados, estos a menudo se pueden respaldar, reservando el consumo hidroeléctrico para las horas pico. Esto introduce estrés ecológico y mecánico, por lo que hoy en día se practica menos que antes. Los lagos y embalses artificiales utilizados para la energía hidroeléctrica son de todos los tamaños y contienen agua suficiente para tan solo un suministro de un día (una variación máxima diurna) o hasta un año (teniendo en cuenta la variación máxima estacional). Una planta con un embalse que contiene menos del caudal anual del río puede cambiar su estilo de operación dependiendo de la estación del año. Por ejemplo, la planta puede operar como planta de pico durante la estación seca, como planta de carga base durante la estación húmeda y como planta de seguimiento de carga entre estaciones. Una planta con un gran depósito puede funcionar independientemente de las estaciones húmedas y secas, como por ejemplo operar a su máxima capacidad durante las temporadas pico de calefacción o refrigeración. [ cita necesaria ]
Cuando la generación eléctrica que alimenta la red y el consumo o carga de la red eléctrica están en equilibrio, la frecuencia de la corriente alterna es normal (50 o 60 hercios). Las centrales hidroeléctricas se pueden utilizar para generar ingresos adicionales en una red eléctrica con una frecuencia de red errática. Cuando la frecuencia de la red está por encima de lo normal (por ejemplo, la frecuencia de la red india excede los 50 Hz nominales durante la mayor parte de un mes/día [3] ), la energía adicional disponible se puede consumir agregando carga adicional (por ejemplo, bombas de agua agrícolas) a la red y este nuevo consumo de energía está disponible a precio nominal o sin precio. Sin embargo, puede que no haya garantía de continuidad del suministro a ese precio cuando la frecuencia de la red caiga por debajo de lo normal, lo que exigiría un precio más alto. [ cita necesaria ] [ aclaración necesaria ]
Para detener la caída de la frecuencia por debajo de lo normal, las centrales hidroeléctricas disponibles se mantienen en funcionamiento sin carga/carga nominal y la carga aumenta o disminuye automáticamente siguiendo estrictamente la frecuencia de la red (es decir, las unidades hidroeléctricas funcionarían sin carga cuando la frecuencia es superior a 50 Hz y generar energía hasta carga completa en caso de que la frecuencia de la red sea inferior a 50 Hz). Por lo tanto, una empresa de servicios públicos puede extraer dos o más veces de energía de la red cargando las unidades hidroeléctricas menos del 50% de su duración y el uso efectivo del agua disponible se mejora más del doble que la operación de carga máxima convencional. [4] [ se necesita aclaración ]
Ejemplo de carga máxima diaria (para Bonneville Power Administration ) con grandes centrales hidroeléctricas, generación térmica de carga base y energía eólica intermitente. Hydro sigue la carga y gestiona los picos, con cierta respuesta de la carga base térmica. Tenga en cuenta que la generación total es siempre mayor que la carga total de BPA porque la mayor parte del tiempo el BPA es un exportador neto de energía. La carga de BPA no incluye energía programada para otras áreas de autoridad de equilibrio. [6]
Las centrales eléctricas térmicas de carbón de gran tamaño también se pueden utilizar como centrales eléctricas de carga variable o de seguimiento de carga en distintos grados, siendo las centrales alimentadas con hulla típicamente significativamente más flexibles que las plantas de carbón alimentadas con lignito . Algunas de las características que se pueden encontrar en las plantas de carbón que han sido optimizadas para la siguiente carga incluyen:
Históricamente, las centrales nucleares se construían como plantas de carga base, sin capacidad de seguimiento de carga para mantener el diseño simple. Su puesta en marcha o parada tardaba muchas horas, ya que estaban diseñados para funcionar a máxima potencia, y calentar los generadores de vapor a la temperatura deseada llevaba tiempo. [2] La generación de energía nuclear también ha sido retratada como inflexible por los activistas antinucleares y el Ministerio Federal de Medio Ambiente de Alemania, mientras que otros afirmaron "que las plantas podrían obstruir la red eléctrica". [7]
Las plantas nucleares modernas con reactores de agua ligera están diseñadas para tener capacidades de maniobra en el rango del 30-100% con una pendiente del 5%/minuto, hasta 140 MW/minuto. [7] Las centrales nucleares de Francia y Alemania funcionan en modo de seguimiento de carga y, por tanto, participan en el control de frecuencia primario y secundario. Algunas unidades siguen un programa de carga variable con uno o dos grandes cambios de energía por día. Algunos diseños permiten cambios rápidos del nivel de potencia en torno a la potencia nominal, una capacidad que se puede utilizar para la regulación de frecuencia. [8] Una solución más eficiente es mantener el circuito primario a plena potencia y utilizar el exceso de energía para cogeneración. [9]
Si bien la mayoría de las centrales nucleares en funcionamiento a principios de la década de 2000 ya estaban diseñadas con fuertes capacidades de seguimiento de carga, es posible que no se hayan utilizado como tales por razones puramente económicas: la generación de energía nuclear se compone casi en su totalidad de costos fijos y hundidos, por lo que se reduce la producción de energía. no reduce significativamente los costos de generación, por lo que es más efectivo hacerlos funcionar a máxima potencia la mayor parte del tiempo. [10] [11] En países donde la carga base era predominantemente nuclear (por ejemplo, Francia), el modo de seguimiento de carga se volvió económico debido a que la demanda general de electricidad fluctúa a lo largo del día.
Los reactores de agua en ebullición (BWR) pueden variar la velocidad del flujo de agua de recirculación para reducir rápidamente su nivel de potencia hasta el 60 % de la potencia nominal (hasta un 10 %/minuto), lo que los hace útiles para el seguimiento de carga durante la noche. También pueden utilizar la manipulación de la barra de control para lograr reducciones más profundas de potencia. Algunos diseños de BWR no tienen bombas de recirculación y estos diseños deben depender únicamente de la manipulación de la barra de control para seguir la carga, lo que posiblemente sea menos ideal. [12] En mercados como Chicago, Illinois , donde la mitad de la flota de las empresas de servicios públicos locales son BWR, es común seguir la carga (aunque potencialmente menos económico hacerlo).
Los reactores de agua a presión (PWR) utilizan una combinación de una cuña química (normalmente boro ) en el moderador/refrigerante, manipulación de la barra de control y control de velocidad de la turbina (consulte tecnología de reactor nuclear ) para modificar los niveles de potencia. Para los PWR que no están diseñados explícitamente teniendo en cuenta el seguimiento de carga, la operación de seguimiento de carga no es tan común como lo es con los BWR. Sin embargo, los PWR modernos generalmente están diseñados para manejar un seguimiento de carga regular extenso, y tanto los PWR franceses como los alemanes en particular han sido diseñados históricamente con diversos grados de capacidades mejoradas de seguimiento de carga. [12]
Francia, en particular, tiene una larga historia de utilizar un seguimiento de carga agresivo con sus PWR, que son capaces (y se utilizan para) control de frecuencia primario y secundario, además del seguimiento de carga. Los PWR franceses utilizan las llamadas barras de control "grises" que tienen una menor capacidad de absorción de neutrones y se utilizan para ajustar la potencia del reactor, a diferencia de las barras de control "negras" para maniobrar la energía más rápidamente de lo que permiten el control químico por cuñas o las barras de control convencionales. . [2] Estos reactores tienen la capacidad de variar regularmente su producción entre el 30% y el 100% de la potencia nominal, aumentar o disminuir la potencia entre un 2% y un 5%/minuto durante las actividades posteriores a la carga y participar en el control de frecuencia primario y secundario a ±2–3% (control de frecuencia primaria) y ±3–5% (control de frecuencia secundaria, ≥5% para reactores N4 en Modo X). Dependiendo del diseño exacto y del modo de operación, su capacidad para manejar operaciones de baja potencia o rampas rápidas puede verse parcialmente limitada durante las últimas etapas del ciclo del combustible. [12]
Los diseños CANDU modernos tienen amplias capacidades de derivación de vapor que permiten un método diferente de seguimiento de carga que no implica necesariamente cambios en la potencia de salida del reactor. La estación de generación nuclear Bruce es un reactor de agua pesada presurizada CANDU que utiliza regularmente su capacidad para desviar parcialmente el vapor hacia el condensador durante períodos prolongados mientras la turbina está en funcionamiento para proporcionar 300 MW por unidad (2400 MW en total para la planta de ocho unidades). de capacidades de operación flexibles (seguimiento de carga). La potencia del reactor se mantiene al mismo nivel durante las operaciones de derivación de vapor, lo que evita por completo el envenenamiento por xenón y otras preocupaciones asociadas con las maniobras de producción de potencia del reactor. [13] [14] [15]
Las centrales solares de concentración con almacenamiento térmico se están convirtiendo en una opción para las centrales eléctricas de seguimiento de carga. [16] [17] Pueden satisfacer la demanda de carga y funcionar como plantas de energía de carga base cuando la energía solar extraída excede en un día. [18] Una combinación adecuada de almacenamiento solar térmico y energía solar fotovoltaica puede igualar completamente las fluctuaciones de carga sin la necesidad de un costoso almacenamiento en baterías. [19] [20]
Las centrales eléctricas de pila de combustible basadas en hidrógeno son centrales eléctricas de seguimiento de carga perfectas, como equipos de generación de energía de emergencia o sistemas de almacenamiento de baterías. Pueden funcionar desde cero hasta carga completa en pocos minutos. Como el transporte de hidrógeno a los consumidores industriales lejanos es costoso, el excedente de hidrógeno producido como subproducto de diversas plantas químicas se utiliza para la generación de energía en las centrales eléctricas de pilas de combustible. [21] Además, no causan contaminación del aire ni del agua. De hecho, limpian el aire ambiente extrayendo partículas PM2,5 y también generan agua pura para beber y aplicaciones industriales.
La potencia variable procedente de energías renovables, como la solar y la eólica, se puede utilizar para seguir la carga o estabilizar la frecuencia de la red con la ayuda de diversos medios de almacenamiento. Para los países que se están alejando de las plantas de carga base alimentadas con carbón y hacia fuentes de energía intermitentes como la eólica y la solar, que aún no han implementado plenamente medidas de redes inteligentes , como la gestión del lado de la demanda , para responder rápidamente a los cambios en este suministro, puede ser necesario para plantas de energía dedicadas a picos o seguimiento de carga y el uso de una interconexión de red, al menos hasta que los mecanismos de atenuación de picos y cambio de carga se implementen lo suficientemente amplios para igualar el suministro. Vea las alternativas de redes inteligentes a continuación.
El almacenamiento de baterías recargables a partir de 2018, cuando se construyen nuevas a la medida para este propósito sin reutilizar baterías de vehículos eléctricos , cuesta $ 209 por kWh en promedio en los Estados Unidos. [22] Cuando la frecuencia de la red está por debajo del valor deseado o nominal, la energía que se genera (si la hay) y la energía de la batería almacenada se alimenta a la red para aumentar la frecuencia de la red. Cuando la frecuencia de la red está por encima del valor deseado o nominal, la energía que se genera se alimenta o el excedente de energía de la red se extrae (en caso de que esté disponible a bajo costo) a las unidades de batería para el almacenamiento de energía. La frecuencia de la red sigue fluctuando de 50 a 100 veces al día por encima o por debajo del valor nominal dependiendo del tipo de carga encontrada y del tipo de plantas generadoras en la red eléctrica. [23] Recientemente, el costo de las unidades de baterías, plantas de energía solar, etc. se ha reducido drásticamente para utilizar energía secundaria para la estabilización de la red eléctrica como reserva giratoria en línea . [24] [25]
Nuevos estudios también han evaluado plantas eólicas y solares para seguir cambios rápidos de carga. Un estudio de Gevorgian et al ha demostrado la capacidad de las plantas solares para proporcionar seguimiento de carga y reservas rápidas tanto en sistemas eléctricos insulares como Puerto Rico [26] como en grandes sistemas eléctricos en California. [27]
La naturaleza descentralizada e intermitente de la generación solar y eólica implica la construcción de redes de señalización en vastas áreas. Entre ellos se incluyen grandes consumidores con usos discrecionales y cada vez más usuarios mucho más pequeños. En conjunto, estas tecnologías de señalización y comunicación se denominan " red inteligente ". Cuando estas tecnologías llegan a la mayoría de los dispositivos conectados a la red, a veces se utiliza el término Internet de la energía, aunque más comúnmente se considera que es un aspecto del Internet de las cosas .
En 2010, el presidente de la FERC de EE. UU. , Jon Wellinghof, describió la opinión de la administración Obama de que prefería fuertemente la señalización de redes inteligentes a las plantas de energía dedicadas a seguir la carga, y describió el seguimiento como inherentemente ineficiente. En Scientific American enumeró algunas de esas medidas:
En aquel momento comenzaba la integración de las baterías de los vehículos eléctricos en la red. Wellinghof se refirió (ibid) a "a estos automóviles se les paga ahora en Delaware: entre 7 y 10 dólares por día por automóvil. Se les paga más de 3.000 dólares al año por utilizar estos automóviles simplemente para controlar el servicio de regulación en la red cuando se les cobra".
Debido al alto costo del almacenamiento de baterías dedicado, el uso de baterías de vehículos eléctricos tanto durante la carga en vehículos (ver red inteligente ) como en conjuntos de almacenamiento de energía de redes estacionarias como reutilización al final de su vida útil una vez que ya no contienen suficiente El cobro por uso de la carretera se ha convertido en el método preferido de seguimiento de carga frente a las centrales eléctricas dedicadas. Tales conjuntos estacionarios actúan como una verdadera planta de energía que sigue la carga, y su implementación puede "mejorar la asequibilidad de la compra de dichos vehículos... Las baterías que llegan al final de su vida útil dentro de la industria automotriz aún se pueden considerar para otras aplicaciones entre Todavía queda entre el 70% y el 80% de su capacidad original". [28] Estas baterías también suelen reutilizarse en conjuntos domésticos que sirven principalmente como respaldo, por lo que pueden participar mucho más fácilmente en la estabilización de la red. El número de baterías de este tipo que no funcionan está aumentando rápidamente, por ejemplo en Australia , donde la demanda de Tesla Powerwall se multiplicó por 30 después de importantes cortes de energía. [29]
Las baterías de los hogares y los vehículos siempre y necesariamente se cargan de manera receptiva cuando hay suministro disponible, lo que significa que todas participan en una red inteligente , porque la alta carga (una estimación japonesa fue de más de 7 GW para la mitad de los automóviles en Kanto) [ cita requerida ] simplemente no se puede gestionarse en una red analógica, para que "la carga descoordinada no pueda dar lugar a la creación de un nuevo pico de carga" (ibid).
Dado que se debe gestionar la carga, no hay ningún costo incremental por retrasar la carga o descargar estas baterías según sea necesario para el seguimiento de la carga , simplemente un cambio de software y, en algunos casos, un pago por las molestias de una carga incompleta o por el desgaste de la batería (por ejemplo, " $7 a $10 por día por automóvil" pagado en Delaware).
El Rocky Mountain Institute enumeró en 2015 las aplicaciones de dichas redes distribuidas de baterías [30] como (para "ISO/RTO"), incluido "el almacenamiento de energía puede ofertar en los mercados mayoristas de electricidad" o para servicios públicos que incluyen:
RMI afirmó que "las baterías pueden proporcionar estos servicios de manera más confiable y a un costo menor que la tecnología que actualmente proporciona la mayoría de las centrales térmicas (ver arriba sobre carbón y gas)", y también que "los sistemas de almacenamiento instalados detrás del medidor del cliente pueden ser despachados para brindar servicios de aplazamiento o adecuación a empresas de servicios públicos”, tales como: