CENTRALES TÉRMICAS FLEXIBLES. LA TENDENCIA MUNDIAL PARA EL 100% DE RENOVABLES

Artículo del Ingeniero Civil Lucas Rodríguez Valido


Urge la necesidad de tener una planificación energética adecuada para Canarias que contemple tanto la descarbonización como el abaratamiento del coste de generación eléctrica, a la vista de que la UE quiere acabar con las compensaciones económicas a las centrales térmicas y a la costosísima central hidroeólica de Gorona del Viento en el Hierro.

En efecto, una planificación energética no puede ir desligada del precio del MW producido. Por eso, a la hora de buscar soluciones tecnológicas, conviene comenzar por descartar todo aquello que resulte ruinoso, obsoleto, irrelevante e ineficiente, como son las centrales de bombeo, especialmente si se alimentan con agua desalada a 20 km de distancia y 600 metros de desnivel, como es el caso del proyecto Chira-Soria y las Niñas-Soria. También es demasiado tarde para introducir el Gas Natural para la alimentación y por ende para alargar la vida de los ciclos combinados de las Centrales Térmicas de Juan Grande y Granadilla.

Claramente, el binomio descarbonización/economía se centra en el desarrollo e implantación de las energías renovables no convencionales. Paralelamente, dado que éstas aumentan la intermitencia en el sistema eléctrico, surge la necesidad de hacer que las centrales térmicas sean más flexibles, es decir, que aumenten su capacidad de reaccionar ante las intermitencias.

Una correcta planificación, necesariamente, ha de contemplar la mejora en los despachos de energía, así como la sustitución de las antiguas turbinas de gas y de vapor y los ciclos combinados, por pequeños grupos de respuesta rápida que sean capaces de balancear las intermitencias de los sistemas eólicos y fotovoltaicos, haciendo que su penetración sea máxima.

Los bajos costes de generación de las energías renovables permiten que estos sigan siendo muy competitivos aun vertiendo fuera de la red los excedentes que pudieran producirse, al menos, hasta que se incorporen las grandes baterías y la producción de hidrógeno verde al circuito energético. No cabe plantearse aprovechar esos excedentes, valorados en 30 euros el MW, para producir el mismo MW en la Central Chira-Soria a 250 euros, salvo que sea para usos específicos como los viajes espaciales o industrias de alto valor añadido.

La energía a nivel de usuario ha de ser barata, y esto se consigue con mucha potencia instalada y excedentes de renovables. Lo recomendable sería tener una potencia instalada 3-4 veces superior a la potencia demandada. Con esto, prácticamente, la central térmica flexible estaría siempre parada, y su misión sería de respaldo a las renovables.

Las centrales térmicas flexibles incorporan motores de respuesta rápida que alcanzan la plena carga en un tiempo entre 2 y 6 minutos y paran en 1 minuto. Los arranques y paradas continuos no afectan a sus componentes ni a su vida útil. Si además se complementan con batería que suministre la energía de los 2-6 minutos, la optimización es máxima. No necesitan respaldo, solo algunos de reserva para eventuales averías.

El siguiente paso en la planificación es alcanzar el 100% de energías limpias mediante la instalación de electrolizadores para producir Hidrógeno/Amoniaco con los excedentes de renovables. El H2 se usará principalmente como combustible para las centrales térmicas y otras industrias y también en el almacenamiento y la movilidad eléctrica de barcos, trenes y aviones. En el caso de vehículos ligeros no es tan necesario ya que los itinerarios en un territorio tan pequeño como la isla pueden realizarse con una simple batería.

La empresa finlandesa Wärtsilä acaba de lanzar al mercado un grupo térmico que funciona con mezcla de hidrógeno y trabajan para conseguir que pueda operar con el 100% de hidrógeno. El fabricante MAN Energy Solutions ha anunciado que suministrará motores alimentados con amoníaco para 2024.

Llegado a este punto, sobre 2050 aparecerán otras tecnologías más avanzadas, como la producción de H2 por fotosíntesis y la fusión nuclear. La fusión nuclear es una energía infinita, limpia, barata y segura que imita al sol (no confundir con la fisión nuclear). El famoso físico Stephen Hawking afirmó en 2016 que "la fusión nuclear sería una fuente de energía práctica que nos daría una cantidad inagotable de energía, sin contaminar ni generar calentamiento global". Se trata de unir dos núcleos H para formar un núcleo más pesado de Helio (un gas no nocivo usado para los globos) y aprovechar la energía liberada. Como los núcleos se encuentran cargados positivamente y se repelen, hay que acelerarlos suministrando calor a 100 millones de ºC. Si se consigue la densidad suficiente (plasma) es posible que la energía liberada mantenga el plasma y haya excedentes de energía. Estas centrales sustituirán a las actuales centrales.

Hace tan solo unos días, la compañía Helion Energy afirmó haber conseguido la fusión nuclear con un nuevo sistema a pulsos en lugar de continuo, es decir, como si fuese un motor de cuatro tiempos. Un sistema mucho más sencillo y que capta directamente electricidad, en lugar de utilizar el calor para producir vapor, con lo que su eficiencia es del 95%. La comunidad científica está cautelosa a la espera más noticias, ya que este logro podría acortar los plazos para comenzar su comercialización.

1- INFLEXIBILIDADES DE LAS CENTRALES CONVENCIONALES

Todas las instituciones internacionales (la International Energy Agency, la Association for Electrical, Electronic & Information Technologies, la European Plant Suppliers Association, la International Renewable Energy Agency (IRENA), etc.), tras evaluar los problemas relacionados con la integración de las energías renovables, coinciden en la necesidad de aumentar la flexibilidad de las centrales de generación térmica mediante la inversión en la mejora de su operatividad, la actualización de las antiguas centrales y la renovación de equipos generadores.

Una de las principales medidas que se está llevando a cabo para mejorar la flexibilidad de todo el sistema en países como Australia, China, Dinamarca, Alemania, India, Estados Unidos, etc, es la renovación de centrales térmicas.

De menor a mayor flexibilidad, tenemos las centrales nucleares, las centrales de carbón y las centrales de gas. Las primeras trabajan a carga base y las últimas cubren el área entre la carga de base y la carga máxima. Dentro de las centrales de gas, las de ciclo combinado son menos flexibles que las de ciclo abierto, y las más flexibles son las de combustión diésel/fueloil, pero sus costos operativos son más altos.

Los principales parámetros que determinarán el nivel de flexibilidad de una central térmica son:

- Tasa de rampa: capacidad de aumentar o disminuir la producción de electricidad.

- Potencia mínima de operación.

- Tiempo de arranque hasta la conexión de la red.

- Tiempo mínimo de operación después del arranque.

- Tiempo mínimo parado entre el apagado y el arranque.

- Número de arranques permitidos en un período de tiempo.

Existen diferentes tipos de centrales térmicas según el equipo de generación eléctrica que use. Las limitaciones de estos equipos son de dos tipos: técnicas y económicas. En el aspecto técnico está la rapidez de arranque. En el económico es necesario hacer un estudio coste/beneficio ya que el incremento en los cambios de carga aumenta el estrés térmico de algunas partes de los equipos generadores, reduciendo su vida útil y aumentando los costos de mantenimiento y la frecuencia de las averías.

La siguiente tabla corresponde a los tiempos mínimos fijados por el operador de la red de transporte eléctrico de Estados Unidos:


Mediante expresiones matemáticas se determinan estos tiempos y se modela la operatividad de la central (temperatura, presión, velocidad, etc…), de manera que no se produzcan daños por estrés térmico y vibraciones.


Las centrales térmicas más flexibles pueden ofrecer una gama más amplia de servicios en los mercados diario e intradiario. En los mercados nórdicos, las centrales eléctricas, incluidas la eólica y la solar, pueden presentar nuevas ofertas en el mercado intradiario hasta 60 minutos antes del tiempo real. Un estudio de datos de mercado en tiempo real en Nueva York observó que las señales de precios a intervalos de 5 minutos eran más efectivas que los mercados horarios para cambiar de generación hacia arriba o hacia abajo.

PENETRACIÓN DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN CENTRALES CONVENCIONALES

 - Las centrales de turbinas de Ciclo Combinado han de cambiar el modo de operar, pasando de Base de Carga a despacho intermitente, con lo que baja la carga media y se genera una incertidumbre en cuanto a averías y los ciclos de mantenimiento.

- Las centrales de Carbón, Nucleares e Hidráulicas son aún más inflexibles que las de CC, no pueden parar y arrancar, por lo que limitan la penetración y, por tanto, el crecimiento de las renovables.

Estas centrales, cuyo costes de generación suelen ser ciertamente competitivos, sobre todo las de CC con gas natural cuando trabajan a carga base, encarecen enormemente sus costes de generación por los arranques y paradas derivadas de las renovables, a lo que se unen los errores en el pronóstico de respaldo a las renovables. Esto lleva a que aumente el costo de todo el sistema, a pesar de que las renovables sean más económicas.

2- CENTRALES FLEXIBLES CON MOTORES WÄRTSILÄ

En palabras de los directivos de Wärtsilä: «Las centrales térmicas flexibles pueden operar en lugares remotos y complementar el trabajo de plantas de ERNC (Energías Renovables No Convencionales), es la apuesta energética que se está jugando en el mundo, principalmente en Europa y Estados Unidos»

Para que una central se considere de generación flexible, debe cumplir preferentemente con 3 cualidades:

- Alta eficiencia eléctrica, y por ello, costos de energía eléctrica muy competitivos.

- Operar con una gama amplia de combustibles.

- Flexibilidad operacional o capacidad para suplir las intermitencias habituales de las energías renovables.

Una de las características de estos motores es que operan a baja velocidad (500/750rpm), por lo que su desgaste mecánico es menor. Los motores convencionales operan entre 3000-6000 rpm y despachar varias veces al día tiene un impacto considerable, y cuando se trata de turbinas, dado que trabajan a mayor temperatura, los cambios de régimen de carga provocan un importante estrés térmico. Esto lleva a un acortamiento de la vida útil y a un aumento de los costes de mantenimiento.

Estos son los motivos por los que, a nivel mundial, la tendencia se dirige hacia la incorporación de tecnología de generación flexible, particularmente como complemento a las Energías Renovables, con el fin de suplir sus intermitencias y asegurar el suministro continuado de energía.

MOTORES WÄRTSILÄ

-Motor W20V34SG de 10,06MW, gas natural, 750rpm, eficiencia 45,8%

-Motor W20V34DF de 10,06MW, gas natural/fuel, 750rpm, eficiencia 45,6/43,1%

-Motor W18V50SG de 18,32MW, gas natural, 500rpm, eficiencia 46,7%

-Motor W18V50DF de 16,64MW, gas natural/fuel, 500rpm, eficiencia 45,7/44%

-Motor W20V34SG Balancer de 10,8MW, gas/fuel/hidrógeno, 750 rpm

TENOLOGÍA DE BALANCEO

El 31 de marzo de 2021, la sala de prensa de Wärtsilä comunica:

Conscientes de la necesidad de aumentar la flexibilidad en todo el mundo, ya que los países del G20 requieren activos por 3.526 GW, en forma de almacenamiento de energía y tecnología de gas flexible, para hacer posible que sus sistemas de energía funcionen con electricidad 100% renovable, Wärtsilä acaba de lanzar su motor Wärtsilä 34SG Balancer, que permite un balanceo de la red de +10 MW en 2 minutos, y que funciona también con los futuros combustibles, como el hidrógeno verde.

La solución de la central eléctrica, además de los motores Wärtsilä 34SG Balancer, puede estar equipada con modo de espera no tripulado, control remoto, transmisión de datos 24/7 y administración dinámica de energía.

Los motores a gas de las centrales eléctricas de Wärtsilä pueden funcionar con gas natural, biogás, metano sintético o mezclas de hidrógeno. La compañía está desarrollando activamente el proceso de combustión de sus motores para permitir el uso del hidrógeno al 100%, y otros futuros combustibles. 




PAÍSES CON CENTRALES TÉRMICAS FLEXIBLES

Las soluciones de plantas flexibles de Wärstsila son una realidad en numerosos países como: Alemania, Italia, Dinamarca, Turquía, Finlandia, España, Hungría, Malta, EEUU, Hawai, Argentina, Perú, República Dominicana, Japón, Indonesia, Bali, Sudáfrica, Senegal, Jordania, Australia, etc. Citemos algunos ejemplos:

- En España está presente en el Aeropuerto de Barajas con una planta de 33MW 6x18V32 instalada en 2005.

- En Italia, Wärtsilä ha instalado una potencia de 1.411 MW y acaba de recibir un pedido de 6 plantas de generación eléctrica para apoyar la integración de las energías renovables con una potencia 380 MW. Estarán operativas en junio de 2022. En total son 18 motores de gas 50SG y 4 de 31SG, y están diseñadas para cumplir con las normativas medioambientales más estrictas establecidas por la UE.Las nuevas plantas de arranque rápido son necesarias para proporcionar un equilibrio flexible del sistema a medida que Italia se esfuerza por incorporar más energía renovable en línea con su plan nacional de energía, clima y descarbonización a 2030”.

- En EE.UU existen varios ejemplos de centrales eléctricas que respaldan la energía de parques eólicos, como la central eléctrica de 225 MW en Oregón (año 2015).

- En Australia tiene más de 600 MW instalados. En 2018 firmaron un contrato para una nueva central de 211 MW en Adelaida (1,3 millones habitantes). Comenta la empresa: “…La solución de generación de energía inteligente de Wärtsilä, con su alta eficiencia, respuesta rápida y capacidad flexible, proporcionará una mayor confiabilidad y seguridad de suministro al sistema y una mayor penetración de energías renovables al tiempo que reduce los costos y las emisiones.

- Rep. Dominicana: planta de 9,1 MW con motor Wärtsilä 34SG, muy adecuado para aplicaciones de cogeneración, gracias a su alta eficiencia en cualquier carga y a una flexibilidad inmejorable para arrancar y parar de acuerdo a las necesidades. Además, ofrecen bajas emisiones, lo que las convierte en la solución óptima para lugares donde minimizar el impacto ambiental es una prioridad. Como tal, se pueden colocar cerca de los centros de consumo, optimizando el sistema de energía.

- En Argentina, Wärtsilä tiene 5 centrales operativas y 7 en fase de ejecución con potencias que van desde 6,2MW hasta 99MW. La primera central entró en funcionamiento en 2016.

- Hawai, Isla de Oahu, en 2017 se encargó una planta de generación de energía inteligente de 50 MW a Hawaiian Electric Company para ayudar a la integración de más generación solar fotovoltaica. Anteriormente ya instalaron este tipo de centrales en las islas de Kauai y Maui, con una potencia de 32 MW. La empresa comenta: “La energía solar va y viene. Necesita algo rápido para llenar los vacíosLa rápida

capacidad de respaldo no solo admite, sino que permite mucho más energía eólica y solar. Esto es clave para los sistemas de energía sostenibles”.

- Colombia, 2021. La central eléctrica de 200 MW proporcionará energía crítica para equilibrar y respaldar la red nacional en Colombia. Las autoridades colombianas comentan: “La flexibilidad, fiabilidad y eficiencia de la planta de Wärtsilä, que puede ponerse en marcha y pararse en cuestión de minutos y que tiene un consumo de agua muy bajo, es exactamente lo que necesitamos a medida que integramos más y más energías renovables al sistema”.




3.- RENOVACIÓN DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE GRAN CANARIA

A groso modo, una correcta y ordenada renovación de las centrales térmicas de Gran Canaria podría resumirse en las siguientes actuaciones:

1º.- Sustitución inmediata en la Central Térmica de Jinámar de las 2 turbinas de vapor de 40 MW y los 3 grupos diésel de 12 MW instalados en los años 70, así como la turbina de gas de 23,45 MW instalada en 1981 y las 2 turbinas de gas instaladas en 1989. Su potencia asciende a 214,45 MW. En su lugar se colocarían 11+2 motores Wärtsilä de 19MW balanceados para rampa de carga de 2 minutos, o similar, que podrían estar operativos en 2022, aportando estabilidad a la red y permitiendo un aumento considerable de penetración de renovables. De noche y los fines de semana, si la producción eólica es alta, podrían completar y/o asegurar el suministro 100% renovables y tener parados el resto de equipos.

2º.- Paralelamente a lo anterior, instalar una pequeña central térmica en la zona de Gáldar con 5+1 motores de 10,8 MW balanceados. Potencia total de 54 MW, más un grupo de reserva para casos de averías. Esta tercera central aportaría más estabilidad al conjunto de la red, acortando las distancias de transporte de energía, a la vez que ayudaría a la penetración de las renovables generadas en la zona norte. Esta potencia, sumada a la anterior, ascendería a 263 MW y a 292,8 MW si sumamos los 2 grupos de reserva. Podría estar operativa en menos de 2 años y garantizaría la seguridad para el 100% de renovables en los periodos valle, y en los periodos pico aseguraría a los ciclos combinados, de manera que el resto de equipos no tengan que arrancar.

3º.- Sustitución de las 2 turbinas de gas de 37,5 MW y las 2 turbinas de vapor de 80 MW instaladas en los años 90 en la Central Térmica de Juan Grande. La potencia asciende a 235 MW. Se colocaría un equipo con 13+3 motores de respuesta rápida.

En 3-4 años tendríamos una potencia instalada de 510 MW, y con los 6 motores de reserva asciende a 615,8 MW. Si además se añade un batería a cada central para suministrar durante los dos minutos que dura la rampa de carga, obtendremos una respuesta instantánea a todas las variaciones de la red. Llegado a este punto, ya se pueden desmontar los ciclos combinados y operar exclusivamente con equipos flexibles que permitirán la máxima penetración de renovables.

4º.- Instalaciones de producción y almacenamiento de hidrógeno/amoniaco verde para combustible para las centrales térmicas, la industria y la movilidad con el objetivo de 0 emisiones de CO2.


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