Secuenciación de centrales – ¿Cómo se regula el sistema eléctrico?

Está claro que uno de los ataques principales que recibe el coche eléctrico es el hecho de que se tiene que cargar, y que por ello va a aumentar la demanda de energía eléctrica. A pesar de no ser un experto en el tema, tengo que tratar a menudo el problema de la secuenciación de centrales, o lo que es lo mismo, explicar cómo se regula el sistema eléctrico en la parte de generación. Voy a tratar de evitar temas excesivamente técnicos, pero no os puedo prometer no entrar en alguno que considere básico para entender algunos conceptos.

Energía eléctrica

Primero, tenemos que entender lo que es la energía eléctrica, no tanto en el sentido de los electrones que se mueven por los cables y demás tecnicismos, sino en el hecho de que todos queremos tener “voltios disponibles” en cualquier enchufe de nuestra casa (y a cualquier hora). La energía eléctrica, tal y como la usamos habitualmente, no se puede almacenar. Antes de que alguien me empiece a atacar, acordaos de que he dicho “usamos habitualmente”, lo cual equivale a decir corriente alterna, que no, no se puede almacenar.
No voy a entrar en el debate del tipo de corriente idóneo, sólo remarcaré que al ser corriente alterna lo que nos suministran las empresas generadoras/comercializadoras (Gas Natural Fenosa, Iberdrola, Endesa, EDP…), tanto la demanda como la generación de energía en cada momento tiene que estar compensada por el hecho mencionado de que no se puede almacenar.
Un ejemplo (creo que muy claro) del problema de un desajuste de este estilo lo podemos encontrar en un coche (sea del tipo de sea) ya que en un coche tampoco podemos almacenar la energía una vez que sale del motor. Si fijáis la posición del acelerador para mantener una velocidad constante, podéis comprobar cómo, al llegar a una simple curva, la velocidad va a variar; y ya no os digo nada si aparece una cuesta (ya sea hacia arriba o hacia abajo).
En el sistema eléctrico, el símil anterior equivale a que, en todo momento, la demanda de energía tiene que ser igual a la generación, si no, el desajuste que habría implicaría que los grupos de generación no girasen a la velocidad fijada. Como sabéis, la frecuencia de la corriente alterna en distribución en España es de 50 Hz, y si la demanda y la generación no están compensadas, algún grupo empezaría a embalarse (o frenarse), generando la energía a más (o menos) frecuencia. En el símil del coche, el aumento de velocidad en una cuesta abajo está bastante claro (al igual que la disminución en una cuesta arriba) si no se varía la posición del acelerador, que sería el equivalente a tener que variar el aporte de combustible en la caldera de una central térmica.
Con esta explicación espero que haya quedado claro que para poder tener siempre la corriente alterna a 230 V y 50 Hz en casa, la demanda y la generación ha de estar siempre compensada. Soy un poco quisquilloso con lo de “siempre”, pero es que como veréis, no es una tarea fácil.

Demanda de energía

Siguiendo con otro ejemplo, la demanda de energía en una vivienda la podemos considerar constante siempre que no se varíen los aparatos que están enchufados. Aunque, claro, si el frigorífico enciende el compresor, a pesar de no haber cambiado los equipos enchufados, vamos a consumir más que antes; con lo que la demanda en la vivienda ya resulta muy difícil que sea constante.
Para que veáis la proporción de este problema a un nivel más amplio, os enseño aquí una gráfica de la demanda eléctrica en la isla de Hierro del día 25 de Julio de 2018. Al final de este artículo os explicaré el motivo de elegir este sistema eléctrico.

Este es un sistema pequeño, con una demanda de menos de 10 MW; el sistema peninsular, para el mismo día, tuvo un pico de consumo de cerca de 40.000 MW. A más potencia más centrales, con lo que aumenta la complejidad; pero el problema es el mismo: cuadrar la demanda con la generación. Simplemente, en un sistema pequeño puedo tener sólo una central a controlar y en un sistema grande tengo que controlar la producción de, incluso, cientos de centrales a la vez.

Entonces, ¿qué pasaría si enchufásemos todos los coches eléctricos a la vez? Pues que la demanda en ese instante aumentaría. ¿Es preocupante? Pues no; no porque no pueda llegar a ser un problema de cantidad de potencia, sino porque la implantación real del coche eléctrico es tan sumamente lenta que le va a dar tiempo de sobra al sistema a adaptarse y a preverlo.
¿Recordáis la tarifa nocturna? Fue un “invento” para incentivar el consumo eléctrico por las noches, porque en esas horas la demanda de energía baja muchísimo. En la gráfica anterior a lo mejor no es tan significativo, pero a nivel peninsular, ese mismo día hubo un pico de máximo consumo de 36.257 MW, y un mínimo de 24.503 MW. ¿Qué hacemos con esos 11.754 MW de diferencia? Pues apagar centrales durante la noche. ¿Qué se conseguía con la tarifa nocturna? Que al incentivar el consumo durante la noche, la variación no fuese tan grande, y permitía que no se tuviesen que apagar tantas centrales.

Generación de energía eléctrica

¿Quién nos suministra la energía eléctrica de la que estoy hablando? Pues las centrales eléctricas. En España, básicamente tenemos 4 tipos de centrales eléctricas: nucleares, térmicas, hidroeléctricas y renovables.
Las nucleares, las renovables y algunas térmicas requieren una puntualización que hace que no sea aplicable lo que explicaré después. Por un lado, en las nucleares no se puede variar nunca su punto de operación; las variaciones en la potencia que producen es mínima (menor del 1 % diario) debido a problemas de seguridad en el control de este tipo de centrales. Con respecto a las renovables, sólo disponemos de ellas cuando el recurso primario está disponible (sol, viento, olas, mareas…); lo que nos lleva a que, a pesar de ser variable, no se puede realizar un control preciso sobre la potencia generada con estos sistemas. Y por último, las centrales de cogeneración, son centrales térmicas asociadas a un proceso industrial, de modo que la actividad principal no es la producción de electricidad; por este motivo, la generación está relacionada con el proceso industrial, lo que imposibilita un control sobre la potencia producida.
El resto de centrales son las que se utilizan para la regulación de la demanda y generación eléctrica, aumentando y disminuyendo la potencia producida según sea necesario en cada momento para poder equilibrar el sistema. ¿Cómo se realiza esta regulación? Pues mandando las consignas oportunas de potencia generada a cada central. El gestor de la red, que en el caso de España es Red Eléctrica Española, “predice” la demanda que va a haber en cada momento y manda consignas a las diferentes centrales para que produzcan la potencia necesaria. En la siguiente imagen podéis ver la programación de generación para la isla del Hierro para el mismo día de antes.

Esta programación se está ajustando cada 15 minutos en función de múltiples parámetros; unos relativamente simples y lógicos, como pueden ser temperatura, estación del año, hora del día, etc. y otros no tan claros y más complejos como pueden ser eventos deportivos, “quedadas” en redes sociales para apagar luces o sistemas de carga. A lo mejor en la imagen anterior no se ve muy claro, pero en la siguiente podéis ver la demanda real y la programada para el mismo día a nivel peninsular, donde se pueden ver claramente los saltos en la programación.

¿Qué centrales funcionan en cada momento?

Entonces, ¿cómo se decide qué centrales se encienden y cuáles se apagan? Pues es un problema de ajuste de tiempo y coste. Todas las centrales tienen una curva de coste por tiempo para una potencia dada. Por ejemplo, encender una central específica puede costar 10.000 €, y supongamos que mantenerla generando 500 MW tiene un gasto de 1.000 € por hora; mientras que otra central nos podría costar 15.000 € encenderla, y para la misma potencia un coste de 500 € por hora. En la siguiente imagen se puede ver gráficamente la comparación del coste acumulado de estas dos centrales, de manera que el gestor de red elegirá la que menos coste tenga en función de las horas de funcionamiento previstas.

Como podéis imaginar, la realidad es un poco más compleja. Por un lado, el primer tipo de centrales que comenté (nucleares, renovables y cogeneración) no tienen regulación posible, ya que su funcionamiento no permite la regulación de potencia en función de la demanda. Las nucleares producen siempre lo mismo, las renovables en función del recurso primario (sol, viento…), y las de cogeneración en función de la carga de trabajo de la industria asociada. La regulación del sistema, entonces, se realiza con las otras centrales: las térmicas (carbón, gas natural…) y las hidroeléctricas; aunque estas últimas también están asociadas a la disponibilidad de agua.
Con todo esto, se concluye que el equilibrio del sistema se realiza con las centrales térmicas convencionales (carbón y biomasa) y las de ciclo combinado (gas natural). Además, las curvas de coste presentadas son múltiples para cada central, ya que dependen de la potencia y de una serie de variables que hacen que las gráficas no sean tan “bonitas” y sencillas; pero para entendernos creo que es suficiente. Entonces, el problema es simple: si se conoce la demanda futura de energía (ya dije que existe una previsión y de ahí sale la programación de las centrales), simplemente hay que ajustar la producción de las centrales térmicas para que, teniendo en cuenta las que no podemos variar (nucleares, renovables y cogeneración), el sistema esté equilibrado.

Me gustaría hacer aquí una aclaración con el tema de las renovables. No todo el mundo lo sabe, pero una central de energía renovable (a partir de determinada potencia) tiene que cumplir una previsión de generación que la propia central hace. Es decir, un parque eólico grande realiza una predicción de generación en función de la previsión de viento de un día para otro (incluyendo el estado de las máquinas, mantenimientos…), que el gestor de la red tiene en cuenta en la programación de la demanda. Si el parque eólico genera de más (o de menos), se enfrenta a sanciones porque el gestor tiene que compensar ese fallo de previsión. La solución (para los parques eólicos) es mandar una programación de que se va generar algo menos de lo predicho, y luego se regula la potencia real generada para cuadrar con la que se dijo que se iba a producir, con la consiguiente pérdida de eficiencia por no aprovechar bien los recursos.

¿Qué puedo decir con respecto al problema de carga de los coches eléctricos? Que si el gestor de la red lo sabe (o lo predice) no hay ningún problema. Las centrales que se suelen apagar por la noche simplemente no se apagarían y listo: problema resuelto. Además, la conexión o desconexión de las centrales no es tan simple como mencioné antes, es muy sencillo para entenderlo, pero la realidad es diferente. Para los que no conozcáis bien estos temas, no estamos hablando del motor de un coche que entre girar la llave y arrancar pasa poco más de un segundo; estamos hablando de centrales térmicas de gran potencia, cuyo encendido en frío (si la central lleva apagada mucho tiempo) requiere a veces de varios días, y encendido en caliente (la caldera aún no se enfrió) lleva “sólo” varias horas.
Como datos reales que conozco, os diré que las centrales térmicas más rápidas son las de ciclo combinado (turbinas de gas combinadas con turbinas de vapor), donde la turbina de gas puede estar generando potencia relativamente rápido. Pues bien, en estas centrales, el tiempo de reacción es de algo menos de 1 hora desde que la central empieza a arrancar, hasta que está entregando potencia a la red; y no estoy hablando de la potencia nominal, que entonces nos vamos a unas 2 horas (para arranques en caliente de menos de 12 horas desde la última parada).
Entonces, la duda que os surgirá ahora a los que no habíais oído nunca nada sobre estos temas es: si las centrales son tan lentas, ¿cómo compensamos la generación y la demanda? Pues con las centrales hidroeléctricas (que hasta ahora casi no hablé de ellas) que son las más rápidas; éstas pueden arrancar desde cero (aquí no hay arranque en frío o en caliente) hasta el 100 % en menos de 15 minutos.

¿Cómo funciona el sistema realmente?

Ahora os diré, después de toda esta explicación, que el gestor de red va a tratar siempre de minimizar los arranques y paradas de las centrales térmicas, ya que son los momentos en que más se consume y más complejos en la operación. Lo que se hace en la realidad es modificar la potencia de salida y tratar de dejar las centrales produciendo menos potencia, pero sin llegar a apagarse. Cada central tiene un rango de potencia de trabajo, desde el mínimo técnico, que producir menos de esa potencia implicaría tenerla que apagar (sería como el ralentí de un coche), hasta un máximo. La variación de potencia de esta manera nos da unas velocidades de respuesta similares a las mencionadas para las centrales hidroeléctricas pero, claro, tienen que estar encendidas. Cuando tengamos todos los coches eléctricos cargando, esa potencia mínima de generación en las centrales por la noche simplemente será mayor pero no va a haber ningún problema, el sistema puede asumir perfectamente la implantación del coche eléctrico.

Ahora bien, a parte de estos “problemas” (con solución), ¿el coche eléctrico puede aportar ventajas a la gestión del sistema? Pues claro, y más de las que nos parecen. Como ya os comenté al principio, la energía eléctrica no se puede almacenar en alterna, pero sí en continua. Los que hayáis visto algún sistema solar, sabréis que las placas fotovoltaicas producen corriente continua, y lo que se hace es utilizar un convertidor de potencia de corriente continua a alterna (un inversor) para poder utilizar la energía solar en las casas. ¿Y para cargar los coches que hacemos? Pues cogemos la corriente alterna de casa, la pasamos por un conversor de potencia de alterna a continua (un rectificador) y así podemos cargar los “depósitos” de nuestros coches. ¿Sería posible un sistema donde los coches entreguen energía a la red en lugar de sólo consumirla? Pues sí, los sistemas V2G (Vehicle-To-Grid, del coche a la red) lo hacen.

¿Cómo debería ser un sistema para aprovechar las ventajas de los coches eléctricos?

Teniendo en cuenta que la demanda y la generación tienen que estar siempre equilibradas, hay que añadir que la demanda de la que estoy hablando no es la demanda de los consumidores, sino la demanda que hay a la salida de las centrales. Las redes de transporte de energía eléctrica implican una serie de pérdidas relativamente importantes; es una energía que no se usa, pero que hay que generar. Si el coche eléctrico estuviese implantado ampliamente y la red tuviese la posibilidad real de usar sistemas como el V2G, donde el coche podría funcionar como generador de energía eléctrica, la red dispondría de infinidad de sistemas de almacenamiento más cerca de los puntos de consumo que las centrales actuales.
¿Qué se puede concluir con esto? Pues que las pérdidas por transporte se podrían reducir y, al tener posibilidad de almacenamiento, las centrales se podrían regular de una manera mucho más sencilla: si se genera más, se almacena; si hace falta más energía, se tomaría de las baterías de los coches. El único problema técnico sería la gestión de esos sistemas. Podría haber, básicamente, dos posibilidades: algo similar a avisar al gestor de la red de que yo quiero que mi coche tenga las baterías llenas a las 7:00 (que es cuando salgo a trabajar) y si la red necesita coger energía de mi coche mientras está conectado (mientras arrancan algunas centrales, por ejemplo) a mí me da igual si luego me “devuelve” esa energía antes de que tenga que usar el coche. Otra posibilidad sería que el gestor avisase a los propietarios de vehículos eléctricos para “enchufar” el coche a una hora concreta; similar a la programación de las consignas que se hace en las centrales.

Todas estas tipologías serían mucho más eficientes que las actuales pero, como con todos los cambios, la gente es reacia a los mismos y al principio sólo unos frikis (antes llamados locos) luchamos contra todo el sistema. Por ejemplo, hay mucha gente que ahora aboga por los coches de gas, simplemente porque es una evolución del sistema actual, sin llegar a ser un cambio sustancial. Me explico. Los coches de gas simplemente cambian el combustible antiguo (diésel o gasolina) por uno mejor, pero todo el resto sigue igual. A los que me hablan a favor del coche de gas, les explicaré que el mío ya es de gas. Mi coche eléctrico se alimenta con una central de ciclo combinado que consume gas natural, con lo que la energía primaria para llenar mis baterías es el gas. Pero claro, la central de ciclo combinado tiene un rendimiento cercano al 70 %, y mi coche debe andar cerca del 80 %; con lo que utilizo gas natural con un rendimiento aproximado del 55 %. Mientras que en un motor térmico de coche, aunque lo alimentes con gas, el rendimiento va a ser el mismo que ahora (porque el principio de funcionamiento está basado en el mismo ciclo termodinámico), 40 % con mucha suerte. Y mejor no hablamos de la contaminación, que en el caso de las centrales tiene que pasar unos controles estrictos y en el de los coches cabe la posibilidad de falsear las medidas (aunque esperemos que no vuelvan a pasar cosas así).

Además, también dejaré una justificación para los que mantengan que la potencia instalada no va a ser suficiente para abastecer a todo el parque móvil si fuesen todos los coches eléctricos. En ese momento, se buscará la forma de aumentar la potencia, “abriendo” nuevas centrales térmicas de ciclo combinado (son las que se suelen construir últimamente). Sin embargo, no se va a oír nada de cambiar los aerogeneradores antiguos por unos más modernos para aumentar la potencia. Os dejo datos reales: el parque eólico de “A Capelada II” tiene instaladas 45 turbinas eólicas de 330 kW cada una; la potencia total del parque son casi 15 MW. Los últimos prototipos de turbinas eólicas llegan a generar 8 MW. Si se cambiasen las 45 máquinas viejas (del año 1997) por unas nuevas, se aumentaría la producción en casi 350 MW, que es lo mismo que produce uno de los grupos de la central térmica de carbón de As Pontes (que por cierto se está modificando actualmente para reducir su contaminación).
¿A qué conclusión quiero llegar? Pues a que, si nos dejamos llevar por las opiniones generalistas, en un país donde no tenemos depósitos de petróleo ni de gas natural, al final vamos a seguir contaminando con nuevas centrales en lugar de aprovecharnos de los recursos renovables de los que disponemos. Yo me centro en el mundo eólico porque en Galicia (de donde soy), la energía solar no está tan extendida, pero molinos aún tenemos unos cuantos.

Por último (y como lo prometido es deuda), os explicaré el funcionamiento del sistema eléctrico de la isla de Hierro, para mí un claro ejemplo a seguir, y ahora entenderéis el porqué. La generación para el sistema eléctrico de la isla está formada por (básicamente) dos sistemas diferentes: uno eólico y otro hidráulico reversible. La isla se autoabastece con el sistema eólico casi todo el tiempo; y cuando se genera más energía de la que se consume en la isla se bombea agua de un estanque a otro más elevado a modo de almacenamiento de energía. En los momentos en los que la generación eólica no es suficiente para abastecer la isla, el agua se turbina del estanque superior al inferior generando la energía necesaria para “cuadrar” el balance energético.
En la siguiente figura podéis ver la gráfica de la generación acumulada para el día en cuestión. Se ve claramente cómo, la mayor parte del tiempo, el sistema hidráulico estuvo consumiendo energía (la parte negativa de la gráfica) porque el sistema eólico generó más de lo necesario. No obstante, se pueden también apreciar los momentos en los que hizo falta generar energía con el agua acumulada para cuadrar la demanda.