Sector eléctrico: ante tanto ruido, mejor hechos y argumentos

Josafat Armengol

Experto del sector eléctrico

Características del sector energía en México.

Desde tiempos inmemoriales, la energía está presente en prácticamente todas las actividades del hombre. Su uso es en gran medida un factor condicionante del desarrollo económico. En épocas recientes, se ha aceptado que los índices de consumo de energéticos per cápita son indicadores tan confiables del grado de desarrollo de una sociedad o de una nación como lo es el Producto Interno Bruto per cápita.

En la época moderna se han consolidado a nivel mundial los vínculos entre energía, sociedad y economía. Lo que ocurre en el ámbito energético afecta a todos los países, cualquiera que sea su grado de desarrollo, su forma de organización social o su calidad de exportadores o importadores de hidrocarburos.

Durante la segunda mitad del siglo XX, los hidrocarburos se consolidaron como el energético de uso más generalizado a nivel mundial debido a que su oferta fue abundante y barata, así como sus múltiples ventajas como combustible más limpio que el carbón y por su gran versatilidad. La energía de origen nuclear y la hidroelectricidad también tuvieron avances después de la Segunda Guerra Mundial; sin embargo, su contribución ha permanecido relativamente pequeña. Así, el panorama energético mundial evolucionó hacia una creciente dependencia del petróleo y, a la vez, se desarrollaron patrones de consumo distorsionados que propiciaron su uso excesivo.

Los súbitos incrementos en el precio del petróleo (1973-74 y 1979-80) propiciaron la asignación de nutridas inversiones para el desarrollo de nuevas tecnologías a fin de seguir aprovechando la energía nuclear y el carbón como fuentes energéticas, así como grandes sumas en la investigación y desarrollo de las llamadas fuentes no convencionales o alternas, como la solar y la eólica. 

La situación energética mundial puede analizarse con cierta facilidad si se consideran dos tipos de estructuras energéticas: la primera, que corresponde a los países en desarrollo del sureste de Asia y de América Latina y, la segunda, a los países industrializados de Occidente y del Pacífico. 

Ambas estructuras presentaron, durante la década de los 60 del siglo pasado, elevadas tasas de crecimiento del Producto Interno Bruto y del consumo de energía per cápita. A partir de los años 70, el primer grupo ha venido aumentando el ritmo de crecimiento de ambos indicadores, mientras que en el segundo han venido disminuyendo ambos indicadores, motivado por la implantación de políticas de diversificación de fuentes de suministro, de eficiencia energética y, sobre todo, por el replanteamiento de las políticas industriales de estos países hacia ramas menos intensivas en energía como la electrónica y la biotecnología, logrando, además, mejorar su intensidad energética, definida como el consumo de energía primaria por cada unidad de producto bruto. En contraste, los países en desarrollo han venido desde entonces aumentando su consumo medio per cápita de energía, inclusive por encima de los incrementos del PIB por habitante. 

Al revisar en el Balance Nacional de Energía 2018 la distribución sectorial del consumo de energía en México, se observa que tenemos consumos de energía primaria muy bajos en el sector agropecuario (189.27 PJ) y sumamente elevados para los sectores energía (3,173.87 PJ) y transporte (2,454.70 PJ); incluso el consumo de este último es superior al consumo del sector industrial (1,680.77 PJ), esto es, México consume más energía primaria en transportar bienes (46.5% del consumo final energético) que en producirlos (31.8% del consumo final energético) y México consume demasiada energía primaria (34.4% del consumo nacional de energía) para su conversión en energía útil.

México, exportador nato de hidrocarburos por decenios, no ha logrado que el sector energético sea un promotor del crecimiento efectivo y equilibrado. Hoy, el sector enfrenta una problemática variada y compleja de carácter estructural. El sector se caracteriza por una gran dependencia de los hidrocarburos, tanto por los ingresos fiscales como por la composición de la matriz energética.

El subsector eléctrico en México.

Con base en una exploración de la información contenida en la versión más reciente del Programa de Desesarrollo del Sector Eléctrico Nacional (PRODESEN 2019-2033) podemos afirmar que:

  • La infraestructura instalada a diciembre de 2018 en centrales eléctricas, correspondiente a la Comisión Federal de Electricidad (CFE) y Productores Independientes de Energía (PIE), así como al resto de los permisionarios (Autoabastecedores, Cogeneradores, Pequeños Productores, Importadores y Exportadores, así como los participantes del mercado, Centrales Eléctricas con permiso como generadores), interconectados a la red del Sistema Eléctrico Nacional (SEN), totalizan 70,053 MW de capacidad de generación, de los cuales poco más del 78% se encuentran en control de las seis empresas subsidiarias de generación propiedad de la CFE, esto es, menos de 22% de la capacidad de generación es propiedad de permisionarios. Corresponde a fuentes variables de energía (solares y eólicas) el 9.4% de la capacidad total instalada.
  • La producción de energía eléctrica, considerando la generación bruta de la CFE, y la recibida (neta) de los diferentes permisionarios, durante 2018 fue 317,278 GWh. De esa energía, el 84.3% fue producida por las seis empresas subsidiarias de generación propiedad de la CFE, y el resto corresponde a la energía entregada por los permisionarios.
  • La Red Nacional de Transmisión (RNT), exclusiva propiedad de la CFE, está constituida por 108,018 km de líneas de transmisión y 113,143 MVA de capacidad de transformación, en diferentes niveles de tensión.
  • Las Redes Generales de Distribución (RGD) son la infraestructura propiedad exclusiva de la CFE, mediante la cual se transporta la energía eléctrica al público en general y se integran por las redes en media tensión ( 1 kV < V 35 kV) y por las redes de baja tensión (V 1 kV). Al 31 de diciembre de 2018 las RGD suman 838,831 km de líneas de distribución y 75,151 MVA de capacidad de transformación.
  • La cantidad de usuarios con servicio de energía eléctrica en 2018 ascendió a 43.4 millones: 88.7% corresponde a usuarios residenciales que consumieron el 23.7% de la energía demandada; 10.1% son usuarios comerciales y de servicios que demandaron el 8% de la energía; 0.3% son usuarios agrícolas que demandaron el 4.3% de la energía y casi el 1% de usuarios corresponde a empresas medianas y grandes industrias quienes consumieron el 64.2% de la energía demandada, estimándose que en los próximos 15 años el consumo de energía eléctrica crecerá a una tasa media anual de 3.5% lo que requerirá la adición de 40,000 MW de capacidad de generación a instalar en el periodo 2019-2033.

Ahora bien, si tomamos en consideración la información presentada por el CENACE durante la Reunión de Trabajo de la Comisión de Energía del Senado de la República, efectuada el pasado 19 de mayo, la capacidad de generación conectada al SEN ya totaliza 80,977 MW, habiéndose adicionado en 16 meses y medio 10,925 MW (15.6% de la capacidad histórica) que, dado el escaso éxito para concluir proyectos demostrado por la CFE durante los últimos cinco años (Chicoasén II, Altamira Modernización, Guerrero Negro IV, Valle de México, Tula, Morelos) haría pensar que buena parte de estas adiciones de generación corresponden a agentes privados y Productores Independientes de Energía y, la parte restante, a los proyectos rezagados de la CFE. 

En la reunión antes citada, el CENACE expresó que la infraestructura actual de la RNT es la misma que se tenía en 2014, punto de partida de la Reforma Eléctrica. Reportes internos de la CFE indican que durante el periodo 2014-2018 se adicionaron a la RNT más de 3,250 km de líneas de transmisión y casi 12,000 MVA de capacidad de transformación que significaron 1,700 millones de dólares de inversión. Tal vez una de las razones que origina esta ralentización en el ritmo de crecimiento de la RNT, lo constituye el modelo de planeación desarrollado en 2014 por la SENER y el CENACE, modelo que omitió una variable elemental: el costo de inversión de la infraestructura. 

Conocidas son las discrepancias que sobre este tema tuvieron los entonces subsecretarios de Electricidad y de Hacienda, al no prever el primero el monto de las inversiones necesarias para la expansión de la RNT y las fuentes para su financiamiento. Este tema aún no ha sido resuelto a la fecha, no obstante que, en febrero de 2018, CFE Transmisión colocó en el mercado de valores títulos por 800 millones de dólares, los cuales no han sido utilizados. 

Aunado a lo anterior, y asumiendo su papel de ente independiente del organismo donde se incubó, el CENACE impulsó, durante los dos últimos años de la administración anterior, la creación de una macrored de corriente directa superpuesta a la red de transmisión de alta tensión, sin considerar el apalancamiento de la empresa productiva subsidiaria y que esta macrored reduciría significativamente los flujos asociados a la explotación de la red de gasoductos. Esto evidencia que el operador del sistema poco repara en conceptos financieros y en políticas energéticas, cuando de expansión del sistema se trata.

Los conceptos de continuidad, regulación de tensión y control de frecuencia.

Un sistema de energía eléctrica está formado por: una gran diversidad de cargas eléctricas repartidas en una región, las plantas generadoras para producir la energía eléctrica consumida por las cargas, una red de transmisión y de distribución para transportar esa energía de las plantas generadoras a los puntos de consumo y todo el equipo adicional necesario para lograr que el suministro de energía se realice con las características de continuidad de servicio, regulación de la tensión y control de frecuencia requeridas.

La carga global de un sistema está constituida por una gran cantidad de cargas individuales de diferentes clases (industrial, comercial, residencial, agrícola, bombeo, alumbrado público). La potencia suministrada en cada instante por un sistema es la suma de la potencia absorbida por las cargas más las pérdidas en el sistema. Aunque la conexión y desconexión de las cargas individuales es un fenómeno aleatorio, la potencia total varía en función del tiempo siguiendo una curva que puede pronosticarse con bastante aproximación, la cual depende mayormente del ritmo de las actividades humanas en la región servida por el sistema. El área bajo esta curva representa la energía eléctrica producida durante ese periodo de tiempo. El punto más alto de la curva determina la capacidad de generación que se requiere para satisfacer la demanda. 

La energía eléctrica suministrada por un sistema eléctrico procede principalmente de alguna de las siguientes fuentes: aprovechamiento de caídas de agua; combustibles fósiles (petróleo, gas natural, carbón); fisión nuclear. Otras fuentes que han tenido una utilización limitada son la energía geotérmica y la energía producida por las mareas. En el pasado reciente y con el propósito de disminuir los desequilibrios en el medio ambiente, se ha venido impulsando la generación de energía eléctrica variable, generada a partir de la fuerza del viento y la energía solar.

En general, hoy las plantas generadoras están alejadas de los centros de consumo y conectadas a éstos a través de una red de alta tensión, aunque algunas plantas generadoras pueden estar conectadas directamente al sistema de distribución.

La tensión se eleva a la salida de los generadores para realizar la transmisión de energía eléctrica en forma económica y se reduce en la proximidad de los centros de consumo para alimentar el sistema de distribución a una tensión adecuada. Esta alimentación puede hacerse directamente desde la red de transmisión, reduciendo la tensión en un solo paso al nivel de distribución, o a través de un sistema de subtransmisión o repartición, utilizando un nivel de tensión intermedio.

Cabe mencionar que en los inicios de la industria eléctrica mexicana operaban varios sistemas aislados, con características técnicas diferentes, llegando a coexistir casi 30 valores de voltaje en distribución, siete voltajes de alta tensión transmisión y dos frecuencias eléctricas (50 y 60 Hertz). Esta situación dificultaba el suministro de electricidad, por lo que la CFE definió y unificó los criterios técnicos y económicos del Sistema Eléctrico Nacional, normalizando los voltajes de operación, con la finalidad de estandarizar equipos, reducir costos y plazos de fabricación, almacenamiento e inventarios. Posteriormente, se unificaron las frecuencias a 60 Hz y la CFE integró los sistemas de transmisión en el Sistema Interconectado Nacional.

El suministro de energía eléctrica debe realizarse con una calidad adecuada, de manera que los aparatos que utilizan la energía eléctrica funcionen correctamente. La calidad del suministro de energía eléctrica está definida por tres factores: continuidad del servicio, regulación del voltaje y control de la frecuencia. 

La energía eléctrica ha adquirido tal importancia en la vida moderna, que una interrupción de su suministro causa trastornos y pérdidas económicas insoportables. Para asegurar la continuidad del suministro deben tomarse las previsiones necesarias para hacer frente a una falla en algún elemento del sistema, entre las que destacan:

  1. Tener una reserva de generación adecuada para hacer frente a la posible salida de servicio, o indisponibilidad, de cierta capacidad de generación;
  2. Contar con un sistema automático de protección que permita eliminar con la rapidez necesaria cualquier elemento del sistema que ha sufrido una avería;
  3. Diseñar el sistema de manera que la falla y la desconexión de un elemento tengan la menor repercusión posible sobre el resto del sistema;
  4. Disponer de circuitos de alimentación de emergencia para hacer frente a una falla en la alimentación normal; y
  5. Incorporar los medios para un restablecimiento rápido del servicio, disminuyendo la duración de las interrupciones, cuando éstas no han podido ser evitadas.

Los aparatos que funcionan con energía eléctrica están diseñados para operar a un voltaje determinado y su funcionamiento será satisfactorio siempre que el voltaje aplicado no varíe más allá de ciertos límites. Para el caso de las lámparas incandescentes, una reducción en 10% del voltaje reduce el flujo luminoso al 70% y el consumo de la lámpara disminuye al 85%. Un voltaje mayor al nominal acorta la vida de la lámpara: con un 10% de aumento del voltaje, la vida teórica de la lámpara se reduce 30%.

Para un motor eléctrico, la variación de voltaje introduce alteraciones significativas en su comportamiento. El par de arranque en los motores es proporcional al cuadrado del voltaje aplicado, de manera que un bajo voltaje reduce considerablemente el par entregado en la flecha de la máquina. La corriente de plena carga aumenta al disminuir el voltaje, lo que puede causar calentamiento excesivo del motor. La velocidad del motor, en cambio, es poco sensible a las variaciones del voltaje. El equipo electrónico está diseñado generalmente para operar con una tolerancia de ±5% del voltaje. 

Todo lo anterior hace ver la importancia de la regulación del voltaje en un sistema eléctrico. Una variación de ±5% del voltaje en los puntos de utilización con respecto al voltaje nominal, se considera satisfactoria; una variación de ±10% se considera tolerable.

Los sistemas de energía eléctrica funcionan a una frecuencia determinada, dentro de cierta tolerancia. No se ha llegado a una normalización internacional: los países de Europa, la mayor parte de los de Asia y África y algunos de Sudamérica han adoptado una frecuencia de 50 Hz. En Estados Unidos y otros países del continente americano los sistemas eléctricos funcionan a 60 Hz. En algunos países, como Japón, coexisten todavía sistemas de 50 y 60 Hz. En México, donde se daba esa misma circunstancia, se terminó la unificación de frecuencia de todos los sistemas de energía eléctrica a 60 Hz en 1976.

En términos generales, el equipo eléctrico de un sistema eléctrico de potencia (principalmente los generadores y los transformadores) está diseñado para funcionar a una frecuencia dada y lo mismo puede decirse de los aparatos de utilización; el diseñarlos para funcionar sin demérito en un rango de frecuencias mayor, por ejemplo, de 50 a 60 Hz, aumenta su costo.

El rango de las variaciones de frecuencia que puede tolerarse en un sistema depende tanto de las características de los aparatos de utilización como del funcionamiento del sistema mismo. Las cargas resistivas son, evidentemente, insensibles a las variaciones de frecuencia. En cambio, las cargas constituidas por motores eléctricos que mueven distintos tipos de máquinas giratorias son afectadas en mayor o menor grado por las variaciones de frecuencia. La variación de la frecuencia causa una variación en la potencia consumida que, para algunas aplicaciones, como ventiladores y bombas centrífugas, puede significar una variación del 3% al 10% de la potencia consumida, para una variación de la frecuencia del 1% con respecto a su valor nominal.

En algunas aplicaciones, por ejemplo, las industrias de fabricación del papel, siderúrgica o cementera, la variación de velocidad debida a la variación de frecuencia puede afectar críticamente sus procesos de fabricación. Tomando en cuenta todos estos factores puede decirse que, desde el punto de vista del buen funcionamiento de los aparatos de utilización, es suficiente controlar la frecuencia con una precisión del uno por ciento.

Desde la perspectiva del funcionamiento del sistema, debe tenerse en cuenta que, si los generadores conectados al sistema están girando a la velocidad correspondiente a la frecuencia nominal, esto significa que existe un equilibrio entre la potencia real producida por los generadores y la potencia real absorbida por las cargas más las pérdidas del sistema. Cada generador contribuye con una potencia determinada; la cantidad de generadores en servicio y la repartición de la potencia entre las distintas unidades se basa en consideraciones económicas y limitaciones operativas, tales como la producción de potencia reactiva para contribuir a la regulación del voltaje y la necesidad de contar con reserva rodante para asegurar la continuidad del servicio. 

Al producirse una variación de la carga conectada al sistema, la entrada-salida de un bloque de generación o variaciones de energía entregada por centrales eólicas o solares (la presión del viento y la radiación solar no son constantes a lo largo de cada día), se produce un desequilibrio que se refleja en una variación de la velocidad de rotación de las máquinas y, en consecuencia, de la frecuencia. Los reguladores de velocidad o gobernadores de cada turbina registran esta variación y actúan sobre las válvulas de admisión de fluido a la turbina, llegándose a un nuevo estado de equilibrio. Este nuevo estado de equilibrio se establece a una frecuencia ligeramente distinta de la nominal, debido a las características de operación de los reguladores de velocidad, necesarias para lograr que la operación de varias unidades generadoras en paralelo sea estable. Además, la distribución de la potencia entre las distintas unidades de generación se ha alterado y no corresponderá a la distribución óptima. Esto hace necesario un sistema de control adicional que restablezca la frecuencia a su valor nominal y reparta la generación entre las distintas unidades y centrales en la forma adecuada. Lograr esto requiere un control de la frecuencia mucho más preciso que el necesario para las cargas. Por esta razón los sistemas modernos de potencia controlan la frecuencia con una precisión del orden de ±0.05 Hz.

También, entre las características que debe cumplir la frecuencia de un sistema puede incluirse su pureza, es decir, que el contenido de distorsiones (denominadas armónicas) sea despreciable. Esto requiere, en primer lugar, que los generadores proporcionen una tensión lo más aproximada posible a una tensión sinusoidal. En segundo lugar, hay que limitar a valores tolerables la aparición de armónicas en otros puntos del sistema, como pueden ser los circuitos magnéticos de los transformadores, que están diseñados para funcionar a densidades de flujo próximas a los valores de saturación; una disminución excesiva de la frecuencia o un aumento de la tensión pueden causar la saturación del circuito magnético y la deformación de la onda de la tensión inducida.

La presencia de armónicas causa pérdidas adicionales y puede afectar el funcionamiento de ciertos tipos de aparatos; puede producir también fenómenos de resonancia que pueden dañar el equipo. En general, las armónicas de las ondas de tensión existentes en un sistema de energía eléctrica representan un porcentaje suficientemente reducido con relación a la onda fundamental para no causar problemas. Cuando éstos se presentan, se debe, casi siempre, a la producción de armónicas en algún equipo de un consumidor o por la presencia de elementos de electrónica de potencia, a los cuales se deben adicionar elementos para su filtrado o eliminación.

Últimas reflexiones.

México debe abrir caminos de diálogo para discutir cúal será el futuro de su sector energía y también a qué actividades se dedicarán recursos, planeación y esfuerzos, en el corto, mediano y largo plazos. Continuar apoyando el desarrollo del país estrechamente basado en la suerte que corra el petróleo, puede ser sinónimo de un alto grado de vulnerabilidad. 

El país posee importantes cuerpos de agua sin aprovechar (i.e. los ríos Usumacinta, Papagayo, Verde), multitud de poblaciones que son arrasadas ante sus crecientes y amplias superficies poco productivas por la falta de agua almacenada. Los potenciales eólico y solar nos convierten en una región privilegiada. Tenemos acceso al gas natural más barato del mundo. Existen reservorios geotérmicos sin explotar. Con todo ello, debemos concebir una mejor matriz energética que coadyuve a la tan ansiada seguridad energética.

Es un despropósito hablar hoy de la transferencia de la propiedad de los activos en posesión de los Productores Independientes de Energía. Al término de los respectivos contratos con la CFE, se poseerían equipos con 20 ó 25 años de uso, según sea el caso, carentes de contratos de mantenimiento de largo plazo y sin certeza de encontrar componentes para su reemplazo. En su explotación futura viene aparejado un costo de operación mucho mayor al actual. Pareciera ser una pésima solución, aunque mejor que generar con plantas de combustóleo que han excedido su vida útil. 

La falta de tanques para almacenamiento de combustibles y procesos más limpios de refinación no pueden condicionar nuestra salud. Más aún, basados en la información pública de la CFE, no se aprecia se hayan adquirido, en el último año y medio, turbinas, álabes, calderas o depuradores (scrubbers) que hagan suponer tendremos ahora plantas de combustóleo más eficientes y amigables con el medio ambiente.

En fechas recientes, el CENACE reprogramó las pruebas preoperativas de 17 centrales eólicas y solares con una capacidad de 2,326 MW, las cuales se espera inicien su operación en el transcurso del presente año. Éstas se sumarán a 131 centrales variables ya en operación que totalizan 9,632 MW. Existen otros 93 proyectos variables que cuentan con contrato de interconexión a la RNT, cuya operación comercial ocurrirá en el periodo 2021-2024 y aportarán 22,000 MW adicionales. 

En números gruesos, se esperaría que, al término de 2024, se tengan 34,000 MW de generación eólica y solar que requerirán obligadamente la infraestructura de la CFE para mantener la operación de estas centrales y la confiabilidad del Sistema Eléctrico Nacional, cuya demanda máxima proyectada al final de este periodo se estima en 56,000 MW. Bajo las reglas actuales, la CFE debería internalizar los costos coligados a la regulación de voltaje y el control de la frecuencia de todo el sistema y mantener tarifas reducidas de porteo, las cuales fueron inicialmente así pactadas para incentivar esta actividad productiva. 

Para complicar un poco más el panorama, la Comisión Reguladora de Energía (CRE) ha emitido permisos de generación por otros 30,000 MW de energías no convencionales, que se encuentran en las fases incipientes de proyecto, los cuales carecen hoy de sus respectivos contratos de interconexión. Cabe mencionar que muchos de estos permisos fueron otorgados al amparo de la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica a los que se les han aceptado diversas modificaciones y otorgado discutibles prórrogas para que amplíen su vigencia.

Las tecnologías de generación variable (eólicas y solares) se incorporaron primero en países desarrollados. Los acuerdos que a nivel internacional se pactaron para reducir la emisión de gases de efecto de invernadero detonaron la adopción de estas tecnologías en países con economías medias y emergentes. Las consecuencias de una alta penetración de estas tecnologías han orillado a la implantación de nuevas regulaciones en otros países, incluso en aquellos con redes de transmisión fuertemente malladas y potentes enlaces de interconexión entre países. El Estado mexicano no puede permanecer inmóvil ante estas distorsiones, pero la adopción de las nuevas reglas debiera ser resultado de un proceso amplio de deliberación y consenso, repercutiéndole a todos los agentes los costos objetivos en los que incurren.

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