Diego Arjona
Esta columna busca presentar una de las varias soluciones que podrían existir para un problema del que se ha hablado mucho en las últimas semanas: la intermitencia de las fuentes de energía solar y eólica. Escribiré una serie de columnas en las que buscaré plantear varias de las soluciones que se han planteado. No hay intención de polemizar, sino de ser constructivo y ofrecer ideas adicionales para la reflexión.
La intermitencia, en realidad deberíamos llamarla variabilidad, es una característica con la que los sistemas eléctricos de potencia se han enfrentado bajo diversas circunstancias a lo largo de toda su historia… no solamente con el reciente crecimiento de las energías solar y eólica. Estamos obligados a reconocer la peculiaridad de la energía renovable en este sentido, pero también a subrayar sus enormes ventajas en materia ambiental y mitigación del cambio climático. Son esas ventajas las que nos hacen ver más allá de los problemas y buscar soluciones.
En otras entregas, podremos revisar los detalles de otras líneas de trabajo (redes y micro redes inteligentes, sistemas de almacenamiento de energía, etcétera), pero hoy nos enfocaremos en proponer una “tarifa especial para energía renovable intermitente.”
Un primer paso será explicar la naturaleza de la demanda eléctrica. Empecemos por la diferencia entre potencia y energía. La potencia es expresada en Watts mientras que la energía se expresa en Watts Hora. Un foco que tiene una potencia de 100 Watts implica una demanda instantánea de esa magnitud. Si el foco estuviera encendido una hora, habrá consumido 100 Watts Hora de energía. Si lo dejáramos encendido todo el día y la noche consumiría 2400 Watts Hora (un bloque constante de 100 Watts durante 24 horas).
Pero no dejamos encendidos todos los equipos eléctricos todo el tiempo. Cuando hace calor encendemos ventiladores o aire acondicionado, cuando cocinamos encendemos la licuadora o el horno de microondas, cuando trabajamos encendemos el torno o el taladro, pero cuando terminamos esa actividad apagamos esos equipos. Esto quiere decir que la demanda eléctrica no es un bloque constante sino que varia a lo largo del día y será diferente de acuerdo con las actividades de cada día de la semana o las condiciones que presenta cada mes del año.
Las decisiones de encender o apagar un dispositivo en un hogar, comercio o ciudad son personales e influenciadas por diversos factores ajenos al sistema eléctrico… hasta cierto punto se podrían considerar aleatorias. Sin embargo, al sumar el consumo de una colonia, de una ciudad, de un Estado o del país, se observan patrones que tienden a ser repetitivos y generan tendencias esperadas sobre el consumo de energía. Con esa información, se puede construir una curva. La llamaremos “curva de demanda”. Algunas personas la apodan “curva del pato” en referencia a la curva del Estado de California en la que dicen que se puede apreciar una silueta que recuerda a esa ave.
Obviamente, las curvas de demanda de zonas altamente residenciales, comerciales o industriales serán distintas. También se puede observar diferencia entre una zona con alta temperatura (donde proliferan los sistemas de acondicionamiento de aire) y una zona templada. Los días de trabajo y los días de asueto presentan diferencias. Inclusive los días de Navidad, Fiestas Patrias o un partido de México en el Mundial de Futbol podrían implicar un patrón específico de consumo de energía.
Un generador eléctrico es un dispositivo que convierte energía mecánica en energía eléctrica. En México, ese dispositivo gira con una velocidad de 3600 revoluciones por minuto considerando una par de polos. Usando cuatro polos se puede alcanzar el mismo número de ciclos reduciendo la velocidad de giro del rotor a la mitad, 1800 rpm. Dividiendo entre sesenta para obtener esa velocidad en segundos, se tienen 60 ciclos por segundo (Hertz, Hz) y eso es lo que llamamos la frecuencia del sistema.
Esta frecuencia es la que se utiliza en América del Norte y muchas otras latitudes. En Europa se usa principalmente la frecuencia de 50 ciclos por segundo (3000 y 1500 rpm). Sea cual sea la velocidad, lo importante que se mantenga constante de modo que todos los equipos que se conectan al sistema eléctrico puedan operar de forma adecuada. Cada vez que encendemos una lámpara es como si pusiéramos un pequeño freno a ese generador (tratamos de reducir su velocidad) y cuando apagamos la lámpara, le quitamos el freno (aumentamos su velocidad).
Es lo que llamamos carga eléctrica y es necesario balancear la demanda y la oferta de energía en el sistema para compensar y mantener la velocidad. Esto se hace incorporando unidades de generación y aumentando o reduciendo su producción instantánea. Es una labor incansable para el control del sistema.
Volviendo a las curvas, se deben seleccionar las unidades de generación que serán utilizadas para satisfacer la demanda. Recordando las clases del Profesor Roberto Brown Brown (Facultad de Ingeniería de la UNAM), a quien rindo un sincero homenaje (QEPD), lo primero es asegurar la operación de plantas que no deben ser perturbadas o que podrían presentar un riesgo por el cambio en su régimen de producción: plantas nucleares.
Después de ello, las plantas que dependen de los flujos naturales de energía: hidroeléctrica de filo de agua sin vaso de contención (cuando tome su clase las eólicas y las solares no figuraban). Seguirían las plantas de combustibles fósiles de acuerdo con sus costos de operación y características.
Finalmente, las plantas que podrían dar una rápida respuesta al sistema como las turbojet o las hidroeléctricas de vaso que empezarían a turbinar unos segundos después de abrir una compuerta para liberar el agua. Estás plantas tendrían una gran relevancia para controlar los picos de consumo. Es decir, las parte más alta de la curva.
Esos picos de consumo siempre han sido objeto de mucho análisis ya que su presencia implica la necesidad de una mayor inversión en capacidad del sistema. Sería mucho más deseable tener una curva con un pico más bajo aunque este pico durara mayor tiempo.
Considerando que la energía, es decir el área bajo la curva de demanda, fuera similar, una curva con un punto máximo menor requeriría una menor potencia instantánea y con ello menos unidades de generación operando al mismo tiempo… menor inversión para un resultado similar. Una de las formas de propiciar ese cambio en la forma de la curva de demanda fueron las tarifas horarias.
Si reconocemos que la energía tiene un costo y la capacidad tiene otro y que su valor va cambiando a lo largo del día de acuerdo con las necesidades del sistema, llegaremos a la pertinencia de establecer tarifas horarias. En las tarifas de media tensión y alta tensión que cobra CFE se reconocen estas diferencias en valor para los horarios base, intermedia y punta. Además de cobrar la energía consumida a precios diferenciados, se hace un cargo por la demanda máxima que se haya requerido en cada horario. Si un solo día de un mes se tuvo una demanda máxima muy alta en la hora punta, se tendrá que pagar un extra por haberlo hecho.
El resultado de aplicar estas tarifas es que los consumidores (normalmente industrias o grandes comercios) puedan pagar un costo unitario más bajo por la energía comprada al mayoreo, pero deban evitar los horarios pico para evadir importantes sobrecostos. Estas tarifas han sido muy efectivas para reducir el pico y con ello los costos de inversión en el sistema.
A diferencia de los medidores industriales que se usan en México, los consumidores residenciales tenemos watthorimetros que no diferencian los horarios. Pero eso es en México ya que, en otros países, los medidores de las casas y los pequeños comercios consideran las tarifas horarias por lo que la gente busca hacer uso de la electricidad fueran de los horarios picos en los que se pagan las tarifas más altas. Causa y consecuencia.
La energía solar y eólica han recibido un gran apoyo por motivos ambientales y han tenido mucho éxito en su dinámica tecnológica y económica. A nivel mundial, se han reducido los costos y se han vuelto mas confiables y fáciles de operar. Por supuesto, su proliferación ha tenido un efecto en las curvas. Los paneles solares funcionan generando una diferencia de potencial (voltaje) ante el paso de la radiación solar.
Por ese motivo, no funcionan de noche y su capacidad máxima se alcanzara solamente en los momentos de mayor insolación. Su curva diaria de generación inicia al amanecer y la potencia se va incrementando hasta llegar al momento en el sol se encuentra en la parte más alta del cielo para decrecer posteriormente hasta llegar al anochecer. A pesar de que el día dura doce horas en promedio, a lo largo del año se tienen variaciones: días mas largos en verano y mas cortos en invierno… también hay días nublados.
Para sacar números, se utiliza el concepto de horas equivalentes con el que se trata de equiparar estas curvas de producción como si fueran un bloque continuo de energía. Un año tiene 8760 horas (365 por 24) de las cuales, los proyectos solares pueden generar electricidad un equivalente de entre 1,800 y 3000 horas al año (dependiendo de diversas circunstancias).
La energía eólica es un poco más de lo mismo. El viento sopla… a la hora que sopla el viento. En México, existe una tendencia a que haya mayor actividad eólica por las tardes y por las noches, pero existen diferencias geográficas muy importantes. Febrero loco y marzo otro poco. Por eso se han vuelto muy famosas zonas como la Ventosa en Oaxaca, Rio Bravo en Tamaulipas o la Rumorosa en Baja California donde el régimen de vientos parece ser mucho más fuerte y estable. Un buen desarrollador de proyectos buscara lugares donde puede alcanzar 4000 horas equivalentes al año o más inclusive.
La enorme ventaja que tienen las energías solar, eólica, hidroeléctrica, pero también la geotérmica, mareomotriz, olamotriz y la nuclear es que no llevan a cabo un proceso de combustión y, por ende, no producen emisiones de dióxido de carbono que es el principal Gas de Efecto de Invernadero.
Sin embargo, todas estas fuentes de energía tienen características propias, ventajas y desventajas. Una de las formas de vencer la problemática de la intermitencia o variabilidad de la energía solar y eólica sería mediante el uso de baterías. Hace unos par de años trabaje en un estudio para analizar diversas opciones de almacenamiento de energía. Este tema será tocado en un artículo posterior.
Por ahora, baste resaltar que la energía hidroeléctrica que cuenta con un vaso almacenador de agua (presa) puede ser un eficiente sistema de almacenamiento de energía. De hecho, en el contexto del sistema mexicano, las presas del Rio Grijalva han servido de soporte (de una u otra manera) para la generación eólica del Estado de Oaxaca. Funcionan como si fueran una batería.
Como ya se ha mencionado en un párrafo anterior, las tarifas horarias ofrecen a los consumidores un negocio: “Si consumes a tal hora, te voy a cobrar muy caro… mejor consume a las horas en que te voy a cobrar mas barato.” Eso ha resultado en que, solo por dar un ejemplo, los supermercados apaguen los aires acondicionados a la hora en que empieza el sobrecosto para reducir su factura eléctrica. Enfrían la tienda antes del horario pico y partiendo de esa baja temperatura van permitiendo que la tienda se caliente lentamente hasta terminar la hora punta.
Casi ningún cliente se queja… la mayoría no lo nota siquiera. Puede ser que hayan tenido que colocar algún aislante térmico, pero ha sido mucho mas barato que el costo de electricidad que habrían pagado de otra forma. Fábricas y otros grandes consumidores cuya factura de energía eléctrica es una parte muy importante de sus costos, evitan producir en las horas punta. Algunos negocios se pueden adaptar (les conviene) y otros no lo hacen y pagan el sobreprecio.
Dicho lo anterior, inventemos una nueva tarifa para la energía solar y eólica. Usando las modernas tecnologías de comunicaciones y las oportunidades de una red inteligente, podríamos colocar dos medidores con capacidad de coordinarse entre si. Uno de ellos lo tiene el consumidor y el otro lo tiene la unidad de generación intermitente. La regla de la tarifa será la siguiente: “Mediante este aparatito de comunicación, te voy a decir la hora a la que está produciendo energía la planta intermitente. Te voy a cobrar muy barato, pero solamente vas a consumir energía para tu proceso cuando tengas luz verde.
Tu consumo deberá seguir los cambios en generación intermitente. Si aparece una nube, paras. Si deja de soplar el viento, paras. Si no sigues esta regla, te voy a cobrar muy caro. ¿Puedes adaptarte?”
Aceptar la tarifa intermitente tiene consecuencias: tendrás que pagar horas extras y adaptar turnos de trabajo de acuerdo con la expectativa de generación solar o eólica. Puede que tengas que hacer inversiones para poder usar mayor cantidad de energía al mismo tiempo, pero si es más barata, podría valer la pena. En un día nublado o uno en que no sopla el viento, se tendrá que reducir tu producción, quizá se tenga que dedicar el día a hacer mantenimiento o alguna otra actividad.
Pero, te cobrarán barato ya que tanto la energía solar como la eólica están bajando de precio y podrás garantizarle a tus clientes que estás usando energía renovable y evitando el calentamiento global. Si esas ventajas son mayores que las desventajas, contrata la tarifa especial.
De otro modo, quédate con otro tipo de tarifa. Me imagino varias industrias que dirán: “Yo necesito producir unas dos mil horas al año, y me puedo adaptar a los horarios intermitentes sin demasiados problemas.” Por ejemplo, el proceso de producción zinc en que el sulfato se somete a electrólisis con ánodo de plomo y cátodo de aluminio para que el zinc se deposite en placas de algunos milímetros de espesor que se retiran cada cierto tiempo.
Obviamente, la electrólisis del cloro a partir de la sal o la obtención de oxigeno e hidrógeno a partir del agua. Quizá bombeo de agua para llenar un tanque, manejo de chatarra, procesos mineros o de materiales, enfriar o calentar alguna sustancia, etcétera. Podrían existir muchas oportunidades y serían los usuarios los que decidirían si les conviene acceder a esa tarifa y seguir sus reglas. Se me ocurre un uso a nivel residencial: “Voy a comprar una batería para mi casa (como el Tesla Wall o algo así) y lo cargo a la hora en que sea mas barato y esté seguro de que consumo energía solar. Después usaré la energía de la batería a la hora que yo quiera.”
No soy ingenuo y entiendo que la discusión que está teniendo nuestro país tiene muchas aristas. Pero también sé hacia donde está avanzando la tecnología y estoy seguro que México será un jugador fundamental en la transición energética. Conforme vaya avanzando toda está discusión, deberemos revisar nuevas ideas y opciones para el desarrollo de la industria y del sistema eléctrico de nuestro país. Ese análisis es otra labor incansable que jamás deberá detenerse.
