La generación descentralizada

Nexos entre la generación descentralizada
y las fuentes renovables de energía

Marcos A. de Armas Teyra
Doctor en Ciencias. Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente,
Universidad de Cienfuegos.

Aníbal Borroto Nordelo
Doctor en Ciencias. Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente,
Universidad de Cienfuegos.

Inocente a. costa Pérez
Ingeniero. Especialista del Ministerio de Economía y Planificación.
Delegado de CUBASOLAR en Cienfuegos.

Las personas vinculadas durante años al desarrollo de las fuentes renovables de energía tradicionalmente han encontrado criterios opuestos a su aplicación relacionados con lo disperso de estas fuentes, el factor de escala, el carácter cíclico, el elevado costo por unidad de potencia instalada, el escepticismo o la duda de las compañías de electricidad, y en determinados casos el marco legal, la política de desarrollo energético y las consideraciones técnicas sobre la calidad de la energía generada concerniente, fundamentalmente, a su disponibilidad y confiabilidad.

Si hoy el problema se analiza fundamentándose en las tecnologías disponibles, los costos ambientales de la generación de energía eléctrica, las inversiones y los gastos asociados a las grandes centrales, sus líneas de transmisión y distribución, las pérdidas en éstas, que en los mejores casos se encuentran entre 6 y 9 % de toda la energía transmitida, la vulnerabilidad de estos sistemas a fenómenos climáticos y de otra índole, el impacto de la salida de una de estas unidades, la disponibilidad y confiabilidad que exigen las cargas de las tecnologías informáticas y los sistemas de control computarizados, se puede predecir un cambio en la dirección de descentralizar los sistemas energéticos, producir la energía cerca o en los propios centros de consumo, e integrar las oportunidades a un sistema donde concurran diversas fuentes: la cogeneración a pequeña y mediana escala, la producción independiente y las fuentes renovables de energía.

Razones de la convergencia
Es de esperar un desplazamiento hacia la generación distribuida en primer lugar porque, aunque sigue siendo la economía de escala un elemento de peso, se reduce el costo diferencial entre las inversiones necesarias para suministrar un kilowatt de demanda en el punto de uso final mediante una potente central y una red de transmisión y distribución o mediante las tecnologías de generación in situ actualmente disponibles. En muchos casos, particularmente cuando se produce de forma combinada potencia y calor (CHP), esta diferencia se elimina atendiendo a la eficiencia global lograda en el uso del combustible primario y a la reducción de la emisión de gases contaminantes.

Es probable encontrar, con mayor facilidad que hasta el momento, el financiamiento para uno de estos proyectos que el necesario para una central convencional. La tabla 1 muestra la eficiencia y el costo de las tecnologías energéticas en explotación y desarrollo en la actualidad.

En este escenario, la industria eléctrica centralizada, que desperdicia 2/3 del combustible primario sin considerar las pérdidas en transmisión y distribución, envejece al menos en sus formas tradicionales. Por otra parte, con la introducción de productos y programas de equipos de alta eficiencia, la industria moderna reduce la demanda de energía, y con las remodelaciones, el mejoramiento o la sustitución de las tecnologías de un proceso se dilata la necesidad de invertir en grandes centrales.

Hoy se extienden los ciclos combinados con turbinas de gas y vapor con un aprovechamiento superior a 50 % de la energía primaria, aunque en términos globales su eficiencia es inferior a la que se obtiene en los sistemas de cogeneración, donde se pueden utilizar, además, diversos tipos de biocombustibles.

Una aplicación importante de las microturbinas es la generación y cogeneración de energía eléctrica a partir de biomasa gasificada o biogás. Estos sistemas reúnen en sí la elevada eficiencia del ciclo combinado o la cogeneración y la sustentabilidad de las energías renovables.

Si bien no es posible prescindir de los sistemas centralizados y su presencia continuará existiendo, sus unidades se construirán más modulares atendiendo a la disposición y el desarrollo de nuevas fuentes primarias basadas en la fisión o fusión nuclear y el hidrógeno como portador energético secundario.

Este nuevo tipo de sistema, con un carácter también descentralizado, debe satisfacer la demanda de las concentraciones urbanas e industriales y, debido a la presencia del resto de las fuentes distribuidas en las redes, cumplirá funciones especiales de control, regulación y estabilidad estática y transitoria.

Por otra parte, se está produciendo un incremento de los sistemas de generación de emergencia o respaldo (stand by). Éstos crecen en número y potencia si se considera su utilización en hospitales, hoteles, tiendas, unidades militares, industrias locales y negocios, diversos centros turísticos y de servicios, bancos, talleres especializados, otras instalaciones de la salud, etc. En muchos casos estos pueden ser utilizados en esquemas de cogeneración y mantener la red como reserva, o emplearse para reducir la demanda en horarios pico y en otros casos necesarios.

Un aspecto cada vez más importante es el precio que paga la humanidad por el impacto ambiental de su consumo energético, en particular, las emisiones y los cambios climáticos globales.

Con el protocolo de Kyoto, el Mecanismo de Desarrollo Limpio y otros esquemas que la humanidad traza, los países se prestan a reducir esas emisiones a través del financiamiento de proyectos energéticos limpios y la compra de créditos de emisiones que contribuirán a acelerar la penetración de las fuentes renovables y la generación distribuida en cualquier lugar en el que éstas puedan ser aprovechadas. Esta posibilidad, razonable y hasta hoy un tanto remota, se aproxima y muchos proyectos de generación distribuida y fuentes renovables serán financiados por estos mecanismos.

Ventajas TECNOLÓGICAS
–La generación local reduce las pérdidas de transmisión de energía.
–Se mejora la eficiencia global y el aprovechamiento de la energía primaria.
–Pueden evitarse congestionamientos en las redes de transmisión existentes.
–Se reducen los impactos de fallas en las redes de transmisión.
–Posibilita un mayor aprovechamiento del calor residual.
–Se mejora la calidad y la fiabilidad del suministro de energía.
–Las fuentes de generación distribuida se pueden poner en línea mucho más rápidamente.
–Se incrementa la diversidad de combustibles y fuentes de energía.

VENTAJAS Económicas y sociales
–Regiones remotas y comunidades aisladas se benefician grandemente de las posibilidades ofrecidas por el desarrollo de las tecnologías energéticas descentralizadas.
–Se estimula el empleo, por ejemplo, en el caso del aprovechamiento de la biomasa en el sector rural.
–El monto y el riesgo de las inversiones se reducen al poder tener una estrecha correspondencia entre la capacidad instalada y el crecimiento de la demanda.
–Los impactos medioambientales se reducen, en particular cuando se utilizan fuentes renovables de energía.
–Se reduce la vulnerabilidad de los sistemas energéticos a fenómenos climáticos y de otra índole.
–Se incrementa la seguridad energética al ampliarse la gama de fuentes de energía en el sistema.

El desarrollo de estas fuentes será paulatinamente creciente; algunos autores estiman que aun si no se contribuye a ninguna estación centralizada hasta las proximidades de 2025, su participación en el suministro eléctrico alcanzaría aproximadamente 60 % de la energía consumida a nivel mundial. En general se pronostica que su crecimiento no será vertiginoso, pero sí a un ritmo muy superior al que han venido creciendo las tecnologías tradicionales en décadas pasadas.

En Cuba se extiende la generación fotovoltaica, eólica e hidráulica. En el futuro debe esperarse un crecimiento de la cogeneración, particularmente en los cayos e islotes para el servicio hotelero, centros turísticos y de apoyo vinculados a esta actividad, donde puede utilizarse la refrigeración por absorción y obtener frío, calor y energía eléctrica a partir de un único combustible, procedimiento de elevada eficiencia conocido como trigeneración.

Con la cogeneración se evitan las inversiones en centrales eléctricas, líneas de transmisión y distribución y disminuyen las pérdidas en éstas. Los costos de transmisión y distribución son aproximadamente 30 % del costo de la energía entregada, si se consideran los costos de inversión y operación del orden de los 1 200 USD/kW. Un ejemplo de los gastos que podrían reducirse con la generación distribuida se muestra en la tabla 2, en las condiciones de Cuba.

Por supuesto, los recursos distribuidos se incorporan geográficamente dispersos en diferentes puntos y niveles de las redes existentes. Una parte importante de ellos trabajarán en sincronismo con la red. La operación sincronizada presupone cumplir un conjunto de requisitos técnicos de seguridad, control y confiabilidad de forma eficaz tanto para el usuario como para la red, el personal de operación
y el equipamiento. Estos requisitos dependen del tipo de generador, su potencia, nivel de voltaje y cortocircuito en el punto de unión a la red, el
grupo de conexión del banco de transformadores de enlace, las condiciones de calidad de la energía, etcétera.
 

La introducción de un generador en un sistema posee varios aspectos de interés para los usuarios, propietarios del sistema y compañías de electricidad, tanto desde el punto de vista de la operación como de la protección, seguridad y calidad de la energía. Entre estos se pueden señalar, además del nivel de cortocircuito, los siguientes:

1. Retroalimentación de los circuitos desenergizados por la apertura de los interruptores de las subestaciones del sistema. La retroalimentación posee dos problemas potenciales:

–La energización de circuitos que hallan sido desenergizados para operaciones de mantenimiento representa un elevado riesgo para el personal de las compañías.
–La calidad de la energía con que pueden quedar alimentados estos circuitos potencialmente puede causar daños a los equipos de los usuarios y de la compañía.
La aparición de estos problemas es muy dependiente de la capacidad de generación. Los generadores pequeños, con una capacidad inferior a 1 % de la capacidad de la línea, no poseen potencia para sostener la retroalimentación; sin embargo, máquinas más potentes, del orden de 50 % de la capacidad del alimentador y superior, pueden mantener el voltaje y la frecuencia aún cuando resulten totalmente separadas de la red.

2. La operación aislada es una condición que se presenta frecuentemente en un sistema de cogeneración de potencia media. En estos casos el voltaje y la frecuencia están controlados por el generador o los generadores que han resultado aislados.

En estas condiciones y dependiendo de la potencia, inercia y regulación de los generadores, pueden suceder variaciones de voltaje y frecuencia con capacidad suficiente para provocar daños en las instalaciones de los usuarios y la sobresaturación de transformadores y motores.

Afortunadamente, y en tercer orden, la IEEE 1547 (Standard for DR Interconnection with power Systems) ha establecido, después de un largo período de discusiones y votaciones en un sentido y otro, una norma para la interconexión de los sistemas de generación distribuidas las redes de las compañías electrificadoras con potencia de hasta 10 MW.
Esta norma se dirige a operaciones aisladas, la regulación de voltaje de estado estable, la fluctuación de voltaje y armónicos, la influencia en la protección de sobreaumento de las líneas, el impacto en la confiabilidad y el restablecimiento del servicio, la potencialidad para provocar sobrevoltajes transitorios, el impacto en las pérdidas y el montaje.

Con su aprobación quedan satisfechas las compañías electrificadoras, que en muchos casos no facilitaban la interconexión de estos sistemas a sus redes por motivos de seguridad para el personal, las instalaciones y las prácticas tradicionales de operación.

A pesar de las ventajas mencionadas, aún el costo capital por kilowatt instalado es superior, y la economía en el uso del combustible, inferior, con excepción de los ciclos de cogeneración. Por esta razón, el desarrollo de la generación distribuida en el país debe estar dirigido en primer lugar a identificar los sistemas de cogeneración de alta eficiencia, independientemente de su capacidad, combustible o tecnología, y a promover o potenciar la eficiencia y reducir el costo en el aprovechamiento de las fuentes renovables de energía, ya sean en régimen aislado o integradas a la red eléctrica.

En opinión de los autores, además de potenciar el empleo del crudo nacional y extender su aplicación en la medida posible, la dirección estratégica debe enfocarse a proyectos de elevada eficiencia energética y específicamente a proyectos de fuentes renovables de energía, ejemplos de los cuales se muestran en la tabla 3.

La generación asincrónica
Para reducir el costo de la aplicación de las fuentes renovables de energía y aprovechar la cogeneración a pequeña escala en industrias de producción continua, se han estudiado en el Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente de la Universidad de Cienfuegos, las particularidades de la generación asincrónica. Este procedimiento permite reducir considerablemente el costo de las instalaciones y el sistema de enlace con las redes eléctricas de las compañías, logrando valores inferiores del costo en términos de USD/kW instalado y un período de recuperación de la inversión inferior al que tradicionalmente se obtiene con los generadores sincrónicos tradicionales.

Entre las razones que favorecen la aplicación del generador asincrónico para generar potencia, en comparación con los sincrónicos tradicionales, se significan las siguientes:

–Reducida inversión capital. El costo del generador asincrónico más los capacitores para la corrección del factor de potencia es inferior al costo del generador sincrónico equivalente. Aunque ello depende de las condiciones de mercado, se pueden obtener ahorros superiores a 20 %.

–Esquema de protección y dispositivos de control y fuerza más sencillos y menos costosos. El generador asincrónico no necesita esquema de sincronización, protección del rotor, excitatriz, sistema de forzaje o de extinción de campo. Cuando opera en paralelo con la red, no representa un peligro para los operarios del sistema, debido a que pierde la excitación y se extingue tan pronto éste falle, simplificando y reduciendo el costo de la subestación de enlace. Como la corriente de cortocircuito decae mucho más rápidamente que en un generador sincrónico, se reduce el nivel de cortocircuito en el sistema.

–Las fallas del rotor, que son las más comunes en los generadores sincrónicos, no lo son en los asincrónicos, de modo que se aumenta la fiabilidad y se reduce el costo de reparación de los generadores en el país.

–Pueden emplearse las turbinas y motores pertenecientes a centrales azucareros inactivos y generar con ellos en las instalaciones donde sea necesario, con una elevada adaptación al espacio y condiciones disponibles.

–Pueden operar en paralelo con los generadores sincrónicos en explotación y sustituir los generadores obsoletos o averiados que salen de servicio.

–Tienen una construcción robusta y confiable, con gran disponibilidad en el mercado en un variado rango de potencias y voltajes incluyendo diseños especiales.

–Costo de operación y mantenimiento. Teniendo en cuenta sus características y particularidades constructivas se reduce el gasto por este concepto.

–Son equipos eficientes, en mayor sentido si se tienen en cuenta los diseños que se asumen en la actualidad de este tipo de máquinas de alta eficiencia.

Entre los aspectos que pueden considerarse desventajas se señalan los siguientes:

–Reducción del factor de potencia de la Instalación. Esto se debe a que tanto el reactivo de la carga como el consumido por el generador deben ser suministrados por el sistema exterior si no trabaja en paralelo con un generador sincrónico u otros dispositivos compensadores.

–Valle de voltaje en el instante de conexión a la red. A causa de la baja reactancia transitoria en las primeras décimas de segundo que siguen a la conexión, la corriente demandada por el generador excede varias veces el valor nominal y se produce una caída de voltaje en las barras terminales.Estas dificultades se resuelven satisfactoriamente y a bajo costo por la potencia de los sistemas electroenergéticos y el desarrollo de los dispositivos electrotécnicos actuales.

Caso de estudio No. 1
Planta Gydema

La Planta Gydema, localizada en la zona industrial de la ciudad de Cienfuegos, produce glucosa y otros derivados del maíz. Para su producción demanda aproximadamente 600 kW del Sistema Electroenergético Nacional (SEN), y posee instalados dos generadores de vapor de 8 t/h cada uno, con parámetros del vapor de 11,5 kg/cm2 y 186,4 oC, respectivamente. Consume, en condiciones reales de operación, aproximadamente 0,84 MWh y 446 L de fuel oil por tonelada de producto terminado. La eficiencia en los generadores de vapor es de 80 % en buenas condiciones de operación y la demanda total es de aproximadamente 12 t/h.

En el Sistema están instaladas ocho estaciones reductoras a presiones de 3 y 9 kg/cm2. Para el proceso en cuestión, la presión de trabajo de las reductoras de 3 kg/cm2 puede reducirse a 1,5 kg/cm2 con una demanda de 5,6 t/h. Si en lugar de utilizar estas válvulas se monta una turbina de vapor acoplada a un generador asincrónico, se pueden generar aproximadamente 250 kW equivalentes a algo más de 1/3 de la demanda total y elevar la eficiencia global con que se utiliza la energía en esa instalación. En este caso se empleará una turbina y un motor desactivado de la industria azucarera con un precio residual inferior a los 35 000 pesos. Si se tiene en consideración que la empresa gasta en el orden de 24 000 pesos en energía eléctrica en un mes de producción normal, y que pueden gastarse 80 000 pesos adicionales en la construcción y montaje; la inversión se recupera en un plazo de un año y ocho meses.

Caso de estudio No. 2
Planta Piloto Azucarera de la Universidad Central de Las Villas

Esta planta es un centro experimental de la producción azucarera perteneciente a la Universidad Central de Las Villas Marta Abreu. No posee generación eléctrica propia y cuando trabaja a su capacidad nominal demanda 650 kW del Sistema Electroenergético Nacional (SEN). Posee un generador de vapor que utiliza bagazo como combustible y una estación reductora que suministra el vapor a baja presión.

La instalación de un generador no ha sido posible por criterios de espacio y el costo de la remodelación eléctrica de la subestación y del equipamiento necesario. Con la aplicación de la generación asincrónica estas limitaciones quedan resueltas de hecho y se podría generar prácticamente 100 % de la energía demandada. Los equipos pueden proceder de forma similar de las industrias desactivadas en el país. Este montaje se prevé realizar en la próxima campaña que realice este pequeño central azucarero.

La aplicación de la cogeneración con generadores asincrónicos posibilitaría reducir la demanda de energía del SEN en 0,8 MW, se eleva la eficiencia y la competitividad de esas empresas, y se reduce la carga ambiental por la generación de energía eléctrica. Ejemplos como éstos pueden existir en otros lugares del país, particularmente en hoteles, hospitales, industria alimentaria, etcétera.