Plantas de Almacenamiento por Bombeo para la generación de electricidad en México, ventajas y desventajas.

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1 Plantas de Almacenamiento por Bombeo para la generación de electricidad en México, ventajas y desventajas. AUTOR Ildefonso López González ildelogo1967@yahoo.com.mx CO-AUTOR Eiji José Yokoyama Izurieta eijiyokoyamaizurieta@hotmail.com Categoría: Aplicación Tecnológica de la Ingeniería Civil Descripción del Trabajo La grave crisis energética, los problemas inherentes al cambio del clima por el calentamiento global así como el agotamiento de los recursos, hacen atractivas las inversiones en las plantas de almacenamiento por bombeo PAB. Se revisan las ventajas y desventajas de esta tecnología que resulta cada vez más viable en México y como complemento se presenta una gráfica de las PAB existentes en el mundo. Aplicación Las PAB, también llamadas plantas de generación de energía por rebombeo, son centrales hidroeléctricas que posibilitan un empleo más racional de los recursos hidráulicos. Aprovechan energía barata para el bombeo y generan energía de picos (energía eléctrica en horario de máxima demanda), que es más cara. Asimismo, permiten disponer de energía auxiliar en casos de emergencia. Las PAB utilizan un recurso renovable y presentan una solución energética factible, creando o utilizando almacenamientos de agua futuros o existentes. 1

2 Resultados El Sistema Eléctrico Nacional (SEN), de acuerdo con la fuente de generación, está constituido por plantas termoeléctricas, geotérmicas, eoloeléctricas, carboeléctricas, una nucleoeléctrica, productores externos y desde luego hidroeléctricas. El porcentaje de la capacidad instalada con respecto al total nacional, igual a 52 GW, se presenta en la Figura 1. Nuestro país dispone de un Sistema Nacional Interconectado (SNI) y comprende nueve áreas Nucleoeléctrica, 2.65% Carboeléctrica, 5.04% Productores Externos, 22.23% Geotermoeléctrica, 1.87% Termoeléctrica, 45.96% Figura 1. Capacidad instalada para la generación de energía eléctrica en México; Ref. 1 Eoloeléctrica, 0.17% Hidroeléctrica, 22.09% eléctricas conectadas entre si, a excepción de las entidades ubicadas en la Península de Baja California por cuestiones técnico-económicas. Con estos antecedentes, se puede apuntar hacia un sistema alternativo de generación de energía eléctrica como son las PAB. Estas corresponden a sistemas de dos embalses, uno superior y otro inferior, en donde se bombea agua al almacenamiento superior en los periodos de menor demanda con energía barata, para dejar caer el agua (energía potencial acumulada) en los periodos de mayor demanda y generar energía de picos, cuyo precio es mayor a la energía base. El ciclo puede ser horario, diario, mensual, estacional o anual. Almacenamiento Superior Almacenamiento Inferior Bomba/Turbina Arreglos de una PAB: a) Cuatro máquinas: motor y bomba para bombeo, turbina y alternador para generación. b) Tres máquinas: una bomba, un motor-alternador y una turbina. El motor-alternador es reversible. c) Dos máquinas: motor-alternador y bomba-turbina. La máquina hidráulica es reversible. Figura 2. Esquema general del funcionamiento de una PAB. 2

3 Para almacenar la energía de las PAB se pueden aprovechar los vasos de las 230 presas existentes en nuestro país con altura mayor a los 15 metros y capacidad de almacenamiento mayor a los 3 millones de metros cúbicos. Se debe tomar en cuenta la posibilidad de aprovechar túneles y cavernas existentes o de proyecto, ya sean superficiales o subterráneas, para optimizar recursos. Por las características operativas de una PAB y la existencia de una red SNI, las PAB aportan una alternativa versátil y óptima para el funcionamiento y operación del SEN. Por ejemplo, las termoeléctricas y geotérmicas surten la energía base del sistema eléctrico; con ayuda de las hidroeléctricas, las PAB en un futuro surtirán la demanda de la energía de picos. Esta situación es posible por la facilidad de arranque y paro de las PAB comparado con los altos costo de las maniobras de paro y arranque de las centrales térmicas convencionales y nucleares. Figura 3. Espectro energético de una PAB donde el color VERDE representa el periodo de bombeo y el ROJO el de generación; Ref. 2 Por otra parte, las instituciones encargadas de la producción y distribución de energía, CFE y CONAGUA, coordinadas por la Secretaría de Energía, vienen privilegiando la construcción de plantas eólicas en Oaxaca así como sistemas de generación con celdas solares. 3

4 El proyecto piloto de la CFE para la generación de energía eléctrica por celdas fotovoltáicas propone una nueva fuente de energía sustentable para el SEN. Un estudio previo de 15 años permitió recopilar la información acerca del contenido energético del sitio previsto, determinando que Sonora y la parte norte de la Península de Baja California, ambas dentro del Cinturón Solar, son óptimas por el alto grado de insolación. El sitio de prueba será un área de 1,000 km 2 en el campo geotérmico Cerro Prieto, propiedad de la CFE, en la parte norte de la península de Baja California. Se tendrá una capacidad instalada de 5 MW proporcionada por las celdas fotovoltáicas que convierten directamente la energía solar en energía eléctrica. Entre las ventajas de esta tecnología de punta se encuentran el poco espacio requerido para centrales generadoras, el uso de las extensas regiones desérticas y el desarrollo del capital humano para la instalación, operación y mantenimiento de dichas centrales fotovoltáicas. Otra tecnología limpia que está llamando la atención son los aerogeneradores o turbinas eólicas. El 86% de la inversión en energía limpia del 2010 se invirtió en energía eólica y se espera un gran crecimiento dinámico de su mercado en entidades como Oaxaca, Baja California, Zacatecas y Tamaulipas. México, a diferencia de otros países en Latinoamérica, no aplica impuestos por la importación de componentes y tecnología para la generación de energía renovable, por lo que las empresas desarrolladoras tienen una visión positiva para alcanzar a generar de 5,000 hasta 71,000 MW anuales. Actualmente operan granjas eólicas en Oaxaca que acumuladas generan 550 MW, pero se espera que para finales del 2011 se alcancen los 2,000 MW. Figura 4. Planta de generación por bombeo Kruonis, Lituania Ambos sistemas, eólicos y solares, producen energía intermitente por la naturaleza de la fuente que las produce. Es en este punto donde las PAB se vuelven útiles, sirviendo como complemento para los periodos donde ambas tecnologías no aporten energía al sistema eléctrico. Con respecto al almacenamiento de energía, la Secretaría de Energía considera el concepto de Margen de Reserva (MR), definido como la: capacidad del Sistema Eléctrico para atender el suministro de la demanda en cualquier punto de operación, es decir, disponer de un nivel adecuado de recursos o tener suficiencia del sistema respecto al suministro de energía eléctrica. El MR debe variar entre el 12% y 18% de la capacidad instalada promedio de energía eléctrica. Según la planeación del SEN por 4

5 parte de la Secretaría de Energía, el MR en México viene variando del 39.3% en el 2010 a un 24.9% en el 2018 de acuerdo al balance de crecimiento de la demanda y la oferta de energía. Por ende no existen problemas aparentes por la falta de energía en un corto plazo, sin embargo es de destacar a las PAB como una forma de incrementar el MR al disponer de la acumulación de energía en forma de un almacenamiento de agua para utilizar en el momento que el SEN lo demande. Al disponer de energía auxiliar almacenada con las PAB, se tiene la ventaja de hacer frente a problemas del sistema, por ejemplo apagones en donde las alternativas inmediatas requieren un arranque casi instantáneo, situación fácilmente manejada con las PAB cuyo almacenamiento resulta muy atractivo para evitar daños mayores. Esta situación quedó demostrada plenamente en los Estados Unidos cuando en 1965 se presentó un apagón en Nueva York. El dictamen del gobierno y los representantes de la industria favoreció la necesidad de disponer de más PAB en el sistema. De acuerdo con J. Tonda (Ref. 3), la eficiencia del hidrobombeo como forma de almacenar energía es del 66%, muy por debajo del 90% correspondiente a superconductores y del 78% de los volantes giratorios. No es sólo la eficiencia el parámetro importante de las PAB, es de destacar el aprovechamiento racional del excedente de energía y por tanto del recurso agua. La demanda de energía no es constante a lo largo del tiempo, varía de forma horaria, estacional y en función del tipo de actividad en el cual se utilice la electricidad. Existen picos para una variación diaria, uno alrededor del medio día cuando trabajan las industrias, para después llegar al pico máximo entre las 20 y 22 horas. Esta variación genera la necesidad de plantas para generar energía base lo cual se logra normalmente con las termoeléctricas convencionales, los picos se surten con las hidroeléctricas y puede considerarse a las PAB como excelentes para generar electricidad en horas pico. Con relación a la ventaja de las PAB relacionada con la diferencia de costos entre energía de pico y energía base, la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica (LSPEE) maneja diferentes tarifas para el cobro por el consumo de energía eléctrica. 1 Según la CFE varían en función de cada una de las nueve áreas eléctricas del SEN, a manera de hacer una comparación se hablará de la zona Central y de las tarifas donde encuentran ventaja las PAB. Por ejemplo, las tarifas generales en media tensión (O-M, H-M, H-MC, H-MF) dependen de la demanda horaria y puede ser energía base, intermedia o de punta. La tarifa H-M para la Zona Centro en el mes de octubre es de , y $/kwh para los horarios de energía base, intermedia y de punta. La diferencia entre 1 Tarifas para Baja Tensión (V 1,000): 2, 3 Tarifas para Media Tensión (1,000 < V < 35,000): O-M, H-M, H-MC, H-MF Tarifas para Alta Sub-Transmisión (35,000 < V < 220,000): H-S, H-SL Tarifas para Alta Transmisión (V 220,000): H-T, H-TL 5

6 energía de pico y energía base es de $/kwh que representa casi la mitad del precio de la energía pico, el 82% de la energía intermedia y el 90% de la energía base. Esta cuestión de economía respalda la razón de ser de las PAB. Las tarifas generales en alta tensión (H-S y H-SL) también dependen de la demanda horaria. Para el caso de la tarifa H-S, el precio del kwh para el mes de octubre en la Zona Centro es de , y pesos para los horarios de energía base, intermedia y de punta. La diferencia entre energía de pico y energía base es de $/kwh que representa el 57% del precio de la energía pico y el 134% de la energía base. Quedan claras las posibilidades económicas de las PAB al aprovechar energía base para el bombeo y generar energía de picos a precios altos. Es de destacar la apertura del Sector Eléctrico a la Iniciativa Privada (IP) a través de la LSPEE. Actualmente los productores externos participan con una capacidad instalada del 22% respecto al total Nacional, mismo porcentaje de las hidroeléctricas en números redondos. Además, con los diferentes esquemas de participación de la IP en el sector eléctrico, los excedentes pueden venderlos a la CFE. Por ello, las PAB encuentran una ventaja al ser favorecidos en la IP pues resulta un negocio atractivo. Las políticas del Plan Nacional de Desarrollo planteadas en el Programa de Obras de Inversión del Sector Eléctrico POISE apuntan a las siguientes consideraciones en donde encuentran ventajas las PAB: - Desarrollar fuentes de energía renovable a fin de alcanzar una participación en la capacidad de generación de 25%, actualmente tan sólo las hidroeléctricas suman un 22.09% sin contar las eoloeléctricas. - Mantener una participación de 40% para las tecnologías a base de gas natural, el costo del gas natural es alto comparado con otro tipo de fuentes de generación como es el agua, más aún cuando se considera a las PAB. - Desarrollar la generación a base de carbón, manteniendo su participación en un 15% como máximo, actualmente este porcentaje es del 5.04% pero incrementarlo implica problemas ecológicos por la emisión de CO2. Las PAB no tienen problemas de emisión de contaminantes. - Mantener una cota máxima del 8% para proyectos que se dejarían con libertad para definir posteriormente la tecnología más conveniente, mantener invariable la participación de la generación nucleoeléctrica. En este inciso encuentran cabida las PAB como tecnología nueva para el Sistema Eléctrico Nacional SEN. - Reducir la participación de las tecnologías a base de combustóleo y diesel a 12%. Nuevamente toman ventaja las PAB debido a su nula emisión de contaminantes. 6

7 En todo proyecto de ingeniería se tienen puntos a favor y en contra; las PAB no son la excepción. Dentro de su construcción, operación y mantenimiento existen condiciones adversas más marcadas dependiendo del caso que se trate. Por ende, no se pueden dejar de mencionar las desventajas de esta tecnología para implantarla en México. Entre otras desventajas se pueden mencionar las siguientes: Los altos costos para construcción de túneles y tuberías, adquisición de maquinaria y construcción de embalses y reservorios si son necesarios, impactan en forma importante siendo necesarios los estudios de gran visión y factibilidad técnica, económica y financiera. El rechazo social por los posibles desalojos y reubicaciones si se presenta la necesidad de construir nuevos embalses; para mitigarlos se deberán recalcar los beneficios y divulgarlos entre la población para crear una mayor conciencia de la sociedad. Cuando se proyectan grandes almacenamientos de agua, existe la posibilidad de un cambio de clima, lo cual debe abordarse con apoyo de especialistas para evitar y/o atenuar problemas de este tipo. Alteración de la fauna y la flora dejando en peligro especies endémicas, aunque todo proyecto de una obra civil tiene impactos ecológicos mitigables. Erosión en las orillas de los lagos produciendo gas del pantano (gas metano) con la descomposición de la biomasa, por lo que se deben aplicar las medidas de control correspondientes. Se tienen compromisos para la compra de energéticos (gas, diesel y combustóleo), por lo cual resultará políticamente difícil cambiar la fuente de generación de energía eléctrica a PAB, desde luego con un alto costo ecológico. La tecnología de las PAB es una excelente tecnología cada vez más considerada en el mundo. Basta revisar las Figura 5 para darse cuenta de su importancia como alternativa viable con grandes ventajas como las ya mencionadas. Entre los 33 países donde existen las PBA, sobresalen dos con mayor capacidad instalada: los Estados Unidos y Japón, con 16,000 y 15,000 Mw respectivamente. Estos valores representan del orden de una tercera parte de la capacidad instalada en México. 7

8 Argentina Alemania Australia Austria Bélgica Bulgaria Canadá China Croacia Eslovaquia España Estados Unidos Filipinas Francia India Irán Irlanda Italia Japón Lituania Luxemburgo Noruega Polonia Portugal Rusia Serbia Slovenia Sudáfrica Suecia Taiwán Ucranica Reino Unido República Checa MW Capacidad Instalada en Mw Figura 5. Capacidad instalada de PAB en el mundo. Datos tomados de Ref. 2. Así mismo, contrasta la PAB de Conghua, Guangdong, la PAB más grande del mundo, en comparación con la hidroeléctrica de las Tres Gargantas. Ambas obras ubicadas en China, la PAB se terminó de construir en el 2000 y cuenta con una capacidad instalada de 2,400 MW. Mientras tanto, la presa de las Tres Gargantas cuenta con 29 turbinas instaladas que dan una capacidad máxima de 22,500 MW. Cabe mencionar que la capacidad instalada de la Presa de las Tres Gargantas equivale al 43.7% del total nacional de México. En función de las etapas de un proyecto, México necesita plantear estudios de gran visión en donde pudieran aprovecharse los embalses existentes ó la construcción de futuros almacenamientos, para dar lugar a la tecnología de PAB. Tal vez todavía se disponga de sitios aprovechables para hidroeléctricas convencionales, sin embargo nuestro país está a tiempo para invertir en estudios tendientes a la utilización de esta importante alternativa ambiental y económicamente favorable. Recordemos que una generación ineficiente de energía pone en riesgo el desarrollo sustentable de México, por tanto, las energías alternativas entre las que se cuenta a las PAB coadyuvarán para lograr la sustentabilidad hídrica y la optimización en el uso del agua. 8

9 Conclusiones La aportación de las PAB al SEN presenta ventajas importantes y pueden resultar superiores a las desventajas cuyos impactos son mitigables, depende de cada caso que se analice. Es por tanto una solución no solamente factible sino conveniente y necesaria en corto plazo para nuestro país. Se recomienda iniciar con los estudios de gran visión aprovechando los embalses existentes y las posibilidades para nuevos reservorios superficiales o subterráneos en un afán por optimizar el recurso agua. La sustentabilidad hídrica forma parte de las políticas administrativas y técnicas actuales. Para lograrla es conveniente considerar tecnologías como las PAB que ofrecen versatilidad del sistema eléctrico, incremento del margen de reserva y de la capacidad instalada, nula emisión de CO 2, carga firme frente a lo intermitente de la energía eólica y solar, pero sobre todo una alternativa para enfrentar la crisis energética mundial por los altos costos económicos y ecológicos del petróleo, cuya disponibilidad tiene un límite. México necesita enfrentar los retos de sustentabilidad que presenta el siglo XXI haciendo el mejor uso de sus recursos naturales, por ende, no apartemos la vista de las PAB, dándole un aprovechamiento óptimo al agua y considerándolas como viables en un plazo muy corto para alcanzar el nivel de país al que aspiramos. Referencias Ref.1 CFE. (2011). Tu negocio. Tarifas para el suministro y venta de energía eléctrica ( ). Comisión Federal de Electricidad CFE: Ref. 2 Ref. 3 Wikipedia. (2011). Pumped-storage hydroelectricity. WIKIPEDIA The Free Encyclopedia: Juan Tonda. (1993). El oro solar y otras fuentes de energía, Fondo de Cultura Económica, S.A. de C.V., México, D.F