Energía: una mirada desde los sistemas de generación

Actualidad economica y sectorial08-03-2019

Es probable que uno de los momentos más disruptivos de nuestra sociedad haya ocurrido en el siglo XIX gracias a los trabajos de Tesla, Faraday y otros importantes científicos de esa época, los cuales sentaron las bases para la comprensión de los principios de la electricidad y el magnetismo, logrando posteriormente, en la era industrial, desarrollar los esquemas de electrificación productiva y domestica tal y como hoy los conocemos. Si bien este esquema fue exitoso, rentable y ampliamente replicado, aspectos fundamentales en el aprovechamiento sostenible de los recursos naturales han llevado a cuestionar el paradigma de la generación eléctrica tradicional hacia sistemas donde las emisiones contaminantes puedan ser reducidas y exista una participación determinante de soluciones a partir de fuentes de energía alternativa.

Los sistemas de generación de energía con fines eléctricos podrían ser clasificados en 2 grupos principales: No Renovables y Renovables.

• Los sistemas no renovables: son aquellos que utilizan como fuente de energía principalmente los hidrocarburos y derivados del petróleo (carbón, diésel, gas natural, fuel oíl, etc.) o son aquellos que durante su fase constructiva y de operación pueden generar importantes efectos medioambientales de difícil control y manejo (centrales nucleares). La figura 2 muestra una discriminación por fuente y participación de cada sistema en la matriz energética mundial.

Dentro del grupo de sistemas de generación de energía no Renovable, las mayor parte de la generación está representada por grandes centrales a carbón y gas natural con cerca del 56% de la energía del mundo.

Termoeléctricas a carbón

Las centrales de generación por carbón y, de manera general las de combustión directa, queman el combustible en una caldera para calentar agua y generar vapor de alta presión el cual es conducido a una turbina para la producción de movimiento rotativo, transformando la energía química y térmica del combustible en energía mecánica. La producción de electricidad se genera a través de un alternador (generador eléctrico) el cual está conectado al eje de la turbina. La energía generada es normalmente conducida a una subestación encargada de elevar la tensión (voltaje) para reducir las pérdidas en el transporte por la red eléctrica. Por otra parte, y para culminar el ciclo térmico, el vapor que sale de la turbina es condensado a través de un circuito de intercambiadores de calor y torres de enfriamiento hacia una bomba hidráulica, la cual retorna el condensado (agua líquida) nuevamente hacia la caldera para volver a empezar el ciclo.

Termoeléctricas a gas

El principio de funcionamiento de las centrales de generación de gas natural consiste en dar alta presión a un flujo de aire el cual es calentado a partir de la quema de un combustible (gas natural u otros). Posteriormente estos gases de combustión se hacen pasar por una turbina donde al igual que en el caso anterior, es posible convertirla en electricidad a través de un alternador. En algunos casos el calor residual y los gases de combustión de este proceso, son aprovechados en un ciclo adicional para generar más energía eléctrica (ciclos combinados).

La figura 3 muestra de forma esquemática los principales equipos y activos que conforman estas instalaciones.

Si bien los sistemas térmicos anteriormente descritos son las instalaciones de mayor uso a nivel mundial y garantizan la seguridad energética de varios países, la presión ejercida desde la conferencia de las partes en favor del cambio climático (COP) , ha promovido el desmantelamiento gradual de la centrales a carbón y de energía nuclear con un escenario de cero nuevas construcciones en Europa después del 2020 y una potencialización de las energías renovables (F2e, 2018).

• Los sistemas renovables:  Por otra parte, los sistemas de energía renovables son todas aquellas instalaciones de generación que son capaces de aprovechar recursos que pueden considerarse como ilimitados o que tienen una característica de renovación cíclica (hidráulica, viento, biomasa, sol, calor geotérmico, etc.).

Energía Hidráulica

Las grandes centrales hidráulicas tienen como principio de aprovechamiento la utilización de la energía potencial del agua retenida en un embalse, la cual es conducida por tuberías de alta presión directamente a una turbina, haciéndola girar y transmitiendo el movimiento al eje de un alternador.

Si bien el aprovechamiento de energía a través de estas centrales es ampliamente utilizado en el mundo, la creación de los embalses o lagos artificiales puede implicar afectaciones medioambientales e impactos en las comunidades residentes en la zona. Como una opción, la industria energética ha desarrollado instalaciones de mediana y pequeña capacidad denominadas Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (PCH) las cuales pueden aprovechar los relativos bajos caudales de los ríos con captaciones laterales o a “filo de agua” sin la necesidad de crear grandes embalses, conservando los caudales ecológicos y limitando los efectos medioambientales de la construcción. La figura 4 muestra esquema simplificado de las PCH.

Dependiendo del flujo y de la caída (diferencia de alturas), se utilizan diversos tipos de turbinas que se diferencian entre sí por sus características constructivas: para bajos caudales y grandes alturas se utilizan turbinas tipo “Pelton”, para caudales y alturas medios se utilizan turbinas tipo “Francis” y para proyectos de baja altura y alto caudal se utilizan turbinas tipo “Kaplan”.

El proceso de generación hidráulico es el método renovable más extendido de generación de energía a nivel mundial con una capacidad instalada superior a 21.800 GW representando cerca del 17% del total de la energía eléctrica producida o un 60% de la capacidad instalada de fuentes limpias (Association, 2018).

Energía Eólica

Los sistemas de generación eólica aprovechan la energía cinética del viento que pasa sobre las palas de un aerogenerador, provocando un giro sobre el eje de un rotor normalmente conectado a una caja multiplicadora de velocidad (caja de cambios) e impulsando a su vez un generador que logra transformar este movimiento en energía eléctrica. Los aerogeneradores normalmente se orientan automáticamente para aprovechar al máximo la energía del viento, utilizando anemómetros (equipos para medir la dirección y velocidad del viento). Estas unidades son instaladas  donde puedan obtenerse velocidades medias anuales superiores a 3.0 m/s, tanto en tierra firme (Parques “On Shore”) o sobre plataformas oceánicas costeras (Parques “Off Shore”). La capacidad individual por aerogenerador en un parque eólico puede variar desde unos 100kW en instalaciones en tierra firme hasta 8MW en instalaciones oceánicas. Los mayores tamaños de estos equipos han potencializado costos muy competitivos frente a la generación tradicional. La figura 5 muestra un esquema simplificado de los sistemas eólicos.

A la fecha la tecnología eólica es la energía renovable no convencional con mayor capacidad instalada en el mundo con más de 541 GW y una perspectiva de crecimiento que prevé duplicarse en los próximos diez años (Consulting, 2017). En Colombia la energía eólica ha tenido un tímido desarrollo con una sola instalación experimental en la Guajira (Jepírachi 19.5 MW). No obstante, la proyección de la UPME muestra un panorama de amplio crecimiento con potencial instalado superior a los 1200 MW en el año 2030. 

Energía a partir de Biomasa

Las fuentes de generación a partir de biomasa corresponden a otro importante eje de desarrollo e innovación dentro de las fuentes renovables. Si bien su uso es ampliamente extendido en países en vía de desarrollo como fuente primaria de energía en aplicaciones domésticas, su utilización como combustible alternativo de forma tecnificada, en aplicaciones bioenergéticas, podría considerarse reciente.

A la fecha existen diversos procesos tecnológicos para el aprovechamiento de la biomasa entre los que se pueden destacar la combustión directa, la gasificación (combustión incompleta para la generación de gas rico en hidrogeno), y la producción de biogás (degradación de residuos orgánicos). La biomasa como materia prima normalmente proviene de plantaciones industriales o de residuos, tanto sólidos como de procesos agroindustriales (bagazo de caña, residuos de palma de aceite, cascarilla de arroz, aserrío maderero etc). La figura 6 muestra un esquema de las principales fuentes de biomasa.

En Colombia los proyectos bioenergéticos han sido fuertemente jalonados por el sector azucarero con cerca 143 MW instalados de cogeneración a partir de bagazo de caña los cuales suplen la demanda térmica y de electricidad de los procesos productivos de los ingenios y venden sus excedentes al SIN - Sistema Interconectado Nacional (UPME, SIEL - Informe, 2018).

Energía Solar

La tecnología de generación solar puede subdividirse en sistemas de concentración térmica y sistemas fotovoltaicos para la generación de energía eléctrica. Los primeros aprovechan la energía de radiación solar, para calentar agua que posteriormente se conduce a aplicaciones comúnmente relacionadas con acondicionamiento térmico.

Por su parte, los sistemas fotovoltaicos convierten la irradiación solar en corrientes eléctricas a través de un material semiconductor. Si bien existen diversos tipos de paneles solares, las principales placas fotovoltaicas son fabricadas de silicio cristalino. Existen otros tipos de paneles de mejores propiedades, que utilizan combinaciones de cobre, indio y selenio (CIS) o de telurio de cadmio (CdTe), sin embargo, su utilización es reducida es debido al elevado costo de fabricación y limitaciones de tipo medioambiental.

Dentro de los equipos principales de un sistema fotovoltaico se destacan, además de los paneles fotovoltaicos, otros componentes como la estructura soporte (facilita la instalación modular y protege la instalación de las cargas de viento), el equipo inversor de energía (se encarga de transformar la corriente directa de los paneles en corriente alterna y ajusta los parámetros eléctricos de frecuencia y voltaje) y, en algunos casos,  baterías de almacenamiento (Plomo Acido o Ion - litio) para acumular los excesos de energía que no son utilizados. Adicionalmente, pueden ser integrados al sistema equipos de telemedida y control los cuales permiten ajustar algunos parámetros de la instalación solar en tiempo real.

Las instalaciones solares pueden estar desconectadas de la red (“Off grid”) o interconectadas al SIN  (“On grid”). El primer sistema es diseñado con el objetivo de autoabastecer la totalidad de la demanda de energía y es utilizado en aplicaciones autónomas, normalmente de baja capacidad (<50 kWp) como instalaciones domesticas rurales, iluminación de áreas aisladas, telecomunicaciones y bombeo de agua para cultivos. Por lo general estas instalaciones tienen mayores costos al necesitar baterías que almacenan la energía excedente que no es utilizada durante el día y es demandada en la noche o en los momentos de limitada radiación solar. La figura 7 muestra un esquema de este sistema.

Las instalaciones “Ongrid” o conectadas a la red, a diferencia del anterior esquema, no requieren de almacenamiento alguno y por lo tanto tienen la posibilidad de tomar los faltantes de energía de la red. A su vez, estos sistemas ofrecen la posibilidad de entregar los excedentes de energía que no son consumidos, además requieren de un equipo electrónico de regulación el cual cumple la función de contabilizar la energía disponible en los paneles y mantener las condiciones de inyección a la red que son exigidas por el operador.

Retos futuros…

En el mediano plazo se espera un crecimiento sostenido de sistemas renovables para expansiones en la matriz energética y la reducción de forma gradual de sistemas contaminantes basados en combustibles fósiles. Sin embargo, no es posible hablar de un tipo de sistema de generación como solución única al problema de suministro sostenible de electricidad. Si bien las energías renovables han tenido un amplio desarrollo en los últimos años, con una proyección decreciente en su costo (muy marcado en las tecnologías solar y eólica), factores como la disponibilidad y variabilidad del recurso climatológico, limitan su factor de planta haciendo necesaria la integración de diversas fuentes.

En la siguiente tabla se muestra la forma de comparación algunos de los aspectos más relevantes de las tecnologías utilizadas para generación de energía (renovables y no renovables).

* Cociente entre la energía real generada durante un período (generalmente anual) y la energía generada si hubiera trabajado a plena carga.

Tabla 1. Tabla resumen comparativa de tecnologías energéticas ( (IRENA, 2018), (eumayors, 2018))

En Colombia, si bien la matriz energética ha mostrado un balance inclinado hacia una oferta centralizada principalmente hídrica y, en menor medida térmica, es cada vez más relevante la aparición de proyectos de generación distribuida a través de la figura de “prosumidores” (usuario consumidor de energía que además la produce) los cuales empiezan a romper el paradigma de inelasticidad de la demanda de energía, participando activamente en la generación a través de fuentes no convencionales, como la fotovoltaica y biomasa.

La viabilidad de proyectos de generación distribuida se consigue en la medida que se han conjugado menores precios de las nuevas tecnologías, incentivos tributarios y financieros y el aprendizaje en la importación, montaje y puesta y marcha de los equipos, permitiendo generar ahorros en el precio del kWh favorecen el desarrollo de este tipo de soluciones.

Por último se genera un reto para los entes que se encargan de la planeación y regulación del mercado, pues en la medida que estas soluciones se masifiquen, necesariamente habrá una reconfiguración de la demanda al SIN que podría modificar, entre otros, las proyecciones de expansión de la matriz energética.

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