Josafat Armengol
Experto del sector eléctrico
Antecedentes a nivel mundial.
El descubrimiento del fenómeno de la inducción electromagnética por Faraday dio lugar al invento del generador eléctrico, el cual es el punto inicial de la industria eléctrica. Los sistemas de energía eléctrica se inician en 1882 con las instalaciones de Edison en la ciudad de Nueva York.
El suministro de energía eléctrica inicialmente se realizó mediante corriente continua a baja tensión, utilizando el dínamo desarrollado por Grammeen en 1870. Para entonces, la carga estaba constituida por lámparas incandescentes de filamento de carbón, y ya en 1884 se empezaron a utilizar motores de corriente continua. El uso de sistemas de corriente continua a baja tensión limitaba, por razones económicas, la distancia a la cual podía transmitirse la energía eléctrica con una regulación de voltaje aceptable.
Entonces se dedujo que, si la tensión de transmisión se hace 10 veces mayor, el peso del conductor necesario para transmitir una potencia dada, con unas pérdidas determinadas, se reduce 100 veces. Ésta fue la razón que impulsó a Marcel Deprez para desarrollar la transmisión de energía eléctrica a alta tensión: en un informe presentado a la Academia de Ciencias de París en 1881, enunció la tesis de que, elevando la tensión, se puede transmitir una energía eléctrica de cualquier potencia a una gran distancia, con pérdidas mínimas. Al año siguiente, realizó el experimento de transmitir con corriente continua una potencia de 1.5 kW a una tensión de 2,000 Volts, a una distancia de 57 km.
Con el invento del transformador por Gaulard y Gibbs en 1883 se hizo posible la elevación eficiente y económica de la tensión utilizando sistemas de corriente alterna. Por esta razón, el sistema de corriente alterna para la generación y la transmisión desplazó al de corriente continua, permitiendo la transmisión de grandes bloques de energía a grandes distancias.
Los primeros sistemas de corriente alterna fueron monofásicos. En 1884 Gaulard realizó una transmisión de corriente alterna monofásica de 40 km de longitud en la región de Turín (Italia). En 1886 se puso en servicio en Estados Unidos un sistema de corriente alterna monofásica, usando transformadores con tensión primaria de 500 Volts y tensión secundaria de 100 Volts. En 1887 entró en servicio un sistema de transmisión y distribución con corriente alterna en la ciudad de Lucerna (Suiza) y en 1888 otro en Londres (Reino Unido).
En 1883, Tesla inventó las corrientes polifásicas, en 1886 desarrolló un motor polifásico de inducción y un año después, en 1887, patentó en Estados Unidos un sistema de transmisión trifásico. La primera línea de transmisión trifásica se construyó en 1891 en Alemania, con una longitud de 180 km y una tensión de 12,000 Volts. El sistema de corriente alterna trifásica se desarrolló rápidamente y es actualmente de empleo generalizado, pues presenta la ventaja de que la potencia total suministrada es constante, mientras que en un sistema monofásico la potencia suministrada es pulsante. Además, para una misma potencia, un generador o un motor monofásico es más grande y, por lo tanto, más caro que su correspondiente trifásico.
Al comparar, desde el punto de vista del costo de los conductores, el peso total de los conductores del sistema trifásico es la cuarta parte del peso de los conductores del sistema monofásico, suponiendo que se transmite la misma potencia, con las mismas pérdidas, a la misma distancia y con la misma tensión a tierra; condición, esta última, que determina el aislamiento en las líneas aéreas.
En lo que se refiere a la frecuencia utilizada en los sistemas de corriente alterna, inicialmente se prefirieron frecuencias bajas para disminuir las reactancias inductivas de las líneas y, por razones de diseño de los motores de tracción, se extendió el uso de la frecuencia a 25 Hz. Posteriormente, se fue imponiendo el uso de frecuencias más elevadas, 50 y 60 Hz, debido a que una frecuencia mayor permite utilizar circuitos magnéticos de menor sección para una potencia dada, lo que da como resultado aparatos de menor tamaño y más baratos.
A partir de la introducción de la transmisión con corriente alterna trifásica a fines del siglo antepasado, la cantidad de energía transmitida, la longitud de las líneas y la tensión de transmisión han aumentado constantemente. En 1896 se instaló una línea de 25 kV en Estados Unidos. En 1905 entró en servicio una línea de 60 kV entre la planta hidroeléctrica de Necaxa y la ciudad de México, lo que constituyó en aquel momento la tensión más elevada en el mundo. En 1913 las tensiones de transmisión subieron a 150 kV, en 1923 a 220 kV, y en 1935 a 287 kV, en Estados Unidos. En 1952 entró en servicio un sistema de 400 kV en Suecia, en 1958 uno de 500 kV en la Unión Soviética y en 1965 una línea de 735 kV en Canadá. Las tensiones más altas actualmente en servicio son del orden de 1,000 kVCA.
A mediados de la década de los 50’s del siglo pasado, se desarrolló el primer sistema de transmisión con corriente continua a alta tensión, hoy conocidos como HVDC. En ellos, la energía eléctrica se genera con corriente alterna, la tensión se eleva mediante un transformador al valor necesario y se rectifica para realizar la transmisión con corriente continua; en el extremo receptor se sigue el proceso inverso. La primera instalación de este tipo para explotación comercial entró en servicio en Suecia en 1954, transmitiendo 20 MW a una distancia de 97 km a través de un cable submarino a una tensión de 100 kV.
Actualmente existen en servicio líneas aéreas de corriente continua con tensiones entre hilos de 800 kV y están en desarrollo y construcción los primeros proyectos a 1,100 kV de corriente continua; sin embargo, una limitación de la transmisión con corriente continua es que no se ha desarrollado, hasta la fecha, un interruptor económico para corriente continua a alta tensión que impulse la interconexión de sistemas de corriente continua multipunto, razón por la que se ha supeditado esta técnica mayormente a la transmisión entre dos puntos.
Evolución de la Comisión Federal de Electricidad.
En el México de hoy, la transmisión de energía eléctrica es una actividad reservada en exclusiva para la Comisión Federal de Electricidad (CFE), cuyos orígenes se remontan al año 1937. Entonces México tenía 18.3 millones de habitantes, de los cuales únicamente siete millones contaban con electricidad, proporcionada con serias dificultades por empresas privadas. En ese momento las interrupciones de luz eran constantes y las tarifas muy elevadas, debido a que esas empresas se enfocaban a los mercados urbanos más redituables, sin contemplar a las poblaciones rurales, donde habitaba más de 62% de la población. La capacidad instalada de generación eléctrica en el país era 629 MW.
Para dar respuesta a esa situación que impedía el desarrollo del país, el gobierno federal creó, el 14 de agosto de 1937, la Comisión Federal de Electricidad, que tendría por objeto organizar y dirigir un sistema nacional de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica, basado en principios técnicos y económicos, sin propósitos de lucro y con la finalidad de obtener con un costo mínimo, el mayor rendimiento posible en beneficio de los intereses generales.
Hoy, producto de la Reforma Eléctrica, la Comisión Federal de Electricidad legalmente tiene como fin el desarrollo de actividades empresariales, económicas, industriales y comerciales para generar valor económico y rentabilidad al Estado Mexicano. En la ejecución de su objeto, la CFE debe actuar de manera transparente, honesta, eficiente, con sentido de equidad, y responsabilidad social y ambiental, procurando el mejoramiento de la productividad para minimizar los costos de la industria eléctrica en beneficio de la población y contribuir con ello al desarrollo nacional. Si analizamos estos postulados, se deducirá que poco han cambiado con respecto a los ejes rectores que dieron origen a la CFE en 1937, con una diferencia significativa: las actividades de hoy deben ser realizadas bajo un contexto de competencia en los procesos de generación y comercialización.
Arribando casi al tercer decenio del siglo XXI, el sistema eléctrico nacional tiene más de 45 millones de clientes y se incorporan a él más de un millón cada año, casi 99% de la población cuenta con el servicio de energía eléctrica. México tiene una capacidad instalada de generación que sobrepasa los 80,000 MW, y una red de transmisión y distribución cuya longitud equivale a más de 20 vueltas completas a la Tierra.
Estas cifras evidencian que la industria eléctrica nacional (universidades, investigadores, proveedores, consultores, constructores, integradores, agentes privados y CFE) han logrado conjuntar una base laboral y material, métodos y sistemas empresariales, que han permitido el crecimiento del sistema eléctrico nacional.
El ritmo de crecimiento de la demanda de energía eléctrica no ha disminuido, pues la producción de nuestra economía es cada vez más intensa en el uso de la electricidad debido al nivel de industrialización que hemos alcanzado. Sin soslayar las diversas condiciones que han prevalecido en los mercados financieros internacionales, México ha seguido captando la confianza de proveedores, desarrolladores, financieros y tecnólogos; confianza que se traduce en desarrollo para la industria eléctrica nacional.
La Red Nacional de Transmisión.
Desde el punto de vista sistémico, el Sistema Eléctrico Nacional está formado por los sistemas Noroeste, Norte, Noreste, Occidental, Central, Oriental, Peninsular que conforman un sistema interconectado, así como el sistema aislado de Baja California Sur y el sistema Baja California interconectado a la red del WECC (Western Electricity Coordinating Council) en los Estados Unidos de América. Cada uno de estos sistemas se caracteriza por la magnitud de su oferta y demanda de energía eléctrica; algunos son superavitarios (i.e. sistema oriental) y otros deficitarios (i.e. sistema noreste) posibilitándose intercambios entre ellos a través de la red de transmisión, lográndose una operación económica del conjunto a partir de los intercambios de potencia (este-oeste) por la diversidad horaria de cargas y de los intercambios de potencia (norte-sur) debido a la estacionalidad de los recursos hídricos, eólicos y solares.
La escasa densidad poblacional y la existencia de tan solo cuatro grandes centros de consumo (las zonas metropolitanas de las ciudades de México, Monterrey, Guadalajara y La Laguna) y diversos centros de producción de energía eléctrica territorialmente diseminados, a menudo distantes de las concentraciones poblacionales, dan lugar a las especificidades de una red de transmisión compleja desde el punto de vista operativo (regulación de voltaje y frecuencia en distintos puntos de operación), así como para su resguardo, conservación y ampliación, lo cual es agravado frecuentemente por la complicación topográfica asociada a muchos sitios de emplazamiento y la pobre infraestructura para su acceso.
La Red Nacional de Transmisión (RNT) es el agregado de los equipos, materiales y sistemas coordinados e instalados en 2,236 subestaciones eléctricas de potencia (con tensiones ³ 69 kV) que cuentan con una capacidad de transformación instalada de 164,000 MVA y 110,000 km de líneas de transmisión soportadas en 355,000 estructuras, instalaciones todas ellas sembradas a lo largo y ancho de casi 2’000,000 de kilómetros cuadrados del territorio nacional, lo cual junto a la densidad poblacional prevaleciente es el génesis de la linealidad de algunos de los sistemas y la debilidad eléctrica (weakness) de algunos nodos, muchos de los cuales se encuentran en la vecindad de los sitios seleccionados para generación variable (eólica y solar) sin haberse percatado de la debilidad de la red en el nodo de interconexión, realidad que únicamente podrá ser superada aplicando cuantiosas inversiones de manera inteligente y modificando la regulación actual aplicable a generadores y Transportista.
A la problemática antes enunciada, deberá aunarse que en esta red de transmisión conviven, 7/24, diferentes tecnologías cuya armonización y coordinación son una tarea formidable. Se tienen implementados medios de comunicación por onda portadora, microondas, radio, fibra óptica; equipos de protección electromecánicos (los menos), de estado sólido, microprocesados; equipos de medición mecánicos, analógicos, digitales, fasoriales; sistemas de adquisición de datos (SCADA, SICLE, SISCOPROM, SAS), automatismos y esquemas remediales de autodefensa que, conforme la red de transmisión se ha venido extendiendo a lo largo de los años, se han incorporado una vez que cada tecnología ha probado su aptitud y economía.
A lo anterior, debemos sumar que mayormente estos miles de kilómetros de líneas de transmisión de la RNT están sujetos al intemperismo: conviven entre vientos, lluvias, descargas atmosféricas, polvo, sol, gradientes de temperatura, contaminación y pueden sufrir daños derivados a fenómenos naturales extraordinarios (sismos, huracanes, trombas, tornados) y vandalismo. No importa que algún elemento sea obsoleto. La RNT debe operar satisfactoriamente 8,760 horas al año, tanto en estado normal como ante la presencia de la falla de cualquiera de sus elementos bajo la premisa que ninguna falla debe propagarse y, de ser éste el caso, debe mantenerse como condición imprescindible la integridad del sistema.
Esta breve relatoría de circunstancias evidencia el tamaño de la responsabilidad de quienes están a cargo del funcionamiento de la RNT, materializando día a día el mandato constitucional de un servicio público que debe ser proporcionado a todos, todo el tiempo y sin discriminación.
Previo a la Reforma Eléctrica, la planificación de la red de transmisión era un proceso centralizado de carácter determinístico. Grupos multidisciplinarios formados exprofeso se apoyaban en modelos econométricos, encuestas a usuarios, trayectoria de los precios de tecnologías de generación y combustibles, así como en los planes de desarrollo regional. De esta forma, la CFE dimensionaba en magnitud, tiempo y espacio, el mercado eléctrico, las adiciones de generación y, consecuentemente, la ampliación de las redes de transmisión y distribución.
Hoy el panorama es muy diferente: al abrir la generación a la competencia, el proceso de planificación se convierte en un proceso probabilístico, donde el CENACE realiza el modelado electrotécnico, con base en un programa indicativo de adición de generación y los refuerzos de la red de transmisión parecen determinados exclusivamente bajo criterios del operador del sistema, sin que éstos hayan sido transparentados para el escrutinio del regulador, lo cual con frecuencia da lugar a escenarios inverosímiles.
Acciones inmediatas
Es un hecho que el Estado mexicano incentivó la proliferación de energías limpias. Bajo la LSPEE y la LIE se otorgaron permisos para la producción de energía eléctrica y se asignó una tarifa de estampilla para el porteo de energía enfocada a los nuevos participantes. Se instrumentaron Subastas de Energía Eléctrica de Largo Plazo (SELP), como un mecanismo para que los comercializadores de energía eléctrica celebraran, al amparo de procesos competitivos, contratos para satisfacer sus necesidades crecientes de potencia y energía, así como Certificados de Energía Limpia.
Nuevos jugadores se interesaron y participan activamente, pero no todas las páginas de la Reforma Eléctrica han sido escritas y se hace patente su diseño, discusión y adopción para el desarrollo armonioso del MEM. Una discusión bien estructurada debiera incluir un nuevo régimen de coinversiones, el reconocimiento y pago de los servicios conexos del sistema de potencia, así como los mecanismos de reconocimiento expedito de los costos de la expansión de la RNT.
Estos son temas pendientes de los que nadie quiere hablar (SHCP, SENER, CRE, CENACE, CFE y generadores privados). Es imperioso abrir la discusión sobre la asignación objetiva de la porción de los costos atribuibles a cada uno de los agentes del mercado, porque hoy nadie quiere asumir los costos indefectibles que le corresponden, aduciendo cambios de ley y la preexistencia de contratos bilaterales y acuerdos financieros. Lo cierto es que a nivel país es más conveniente, desde las perspectivas económica, ambiental y de salud, reconocer la existencia de estos costos y su adopción, incluso diferida. En caso contrario, seremos simples espectadores del despacho intensivo de máquinas más contaminantes y la degradación progresiva de la RNT a la que hoy se aplican exiguas inversiones. Es importante destacar que este acuerdo debe construirse en el marco de una política de contención de precios impulsada desde el Ejecutivo Federal.
Últimas reflexiones
Las redes de transmisión no producen energía eléctrica, pero sí pueden restringir su utilización y, por ende, encarecer su suministro. Un diseño coherente del sistema eléctrico nacional debiera apoyarse en cuatro grandes pilares:
- Diversificación del portafolio de proyectos de generación, sólo así diversificaremos el riesgo por indisponibilidad y mitigaremos variaciones en el precio de la energía. En los últimos 40 años, hemos cambiado sin reserva el paradigma nacional con un foco inicial hacia hidráulicas, luego combustóleo, después carbón y ciclos combinados, ahora renovables. Hemos vivido el desarrollo con base en hidrocarburos y estamos en la etapa de transición utilizando gas. En el largo plazo, no hay duda que las fuentes alternas son una solución, resta discutir si en este escenario prevalecerán las nucleares, denostadas hoy por los promotores de las tecnologías solar y eólica;
- Estudio, análisis y seguimiento de tecnologías emergentes, incluyendo entre otras: electromovilidad+autoconsumo, almacenamiento masivo de energía, generación por fusión nuclear y generación con hidrógeno como combustible primario;
- Programas de eficiencia energética, debemos persuadir a la empresa eléctrica y sus usuarios que las acciones del lado de la demanda son un ejemplo exitoso de economía colaborativa con beneficios demostrables para ambas partes; y
- Profundizar el desarrollo de estándares que aseguren el respeto al consumidor en cuanto a calidad, funcionalidad y desempeño de equipos y sistemas.
Los ingenieros mexicanos debemos participar en el diseño de planes con rumbo y sustento, con objetivos posibles y metas específicas, pues la promoción de proyectos sujetos a la coyuntura política sólo logrará vulnerar las instituciones que se han venido edificando por años. Debemos diseñar, valorizar y construir la infraestructura que el país requiere, estableciendo con toda claridad los requerimientos financieros y sus esquemas de recuperación. En el México actual, se requiere definir propósitos, establecer metas, definir estrategias, ubicar recursos, desarrollar acciones y arribar a escenarios de solución que permitan las condiciones necesarias para orientar un cambio de gran alcance que posibilite un país digno de heredarse.
