BOLETÍN IIE
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REPORT |
Efecto de la tecnología en transmisión, distribución y en los usos finales de energía
Introducción
En este artículo se describen brevemente tecnologías recientes, sus ventajas y sus efectos sobre las redes de transmisión y distribución. En algunos casos se hará referencia específica al efecto que tendrán en México.
Superconductividad
Un material superconductor es aquel que es capaz de conducir electricidad sin ninguna resistencia o pérdida de energía.
El interés por la superconductividad resurgió en 1986 cuando se descubrieron los superconductores de alta temperatura (HTS por sus siglas en inglés), lo que permitió mantener materiales superconductores a temperaturas (relativamente) mucho más altas (77º K) que antes (4º K). Actualmente se busca la aplicación de la superconductividad en la generación, transformación, transmisión y almacenamiento de energía eléctrica. Aunque inicialmente la reducción de las pérdidas eléctricas fue el atractivo principal, la reducción de los tamaños y pesos de los equipos y la disminución de los costos de mantenimiento se han convertido en ventajas competitivas.
El uso de los superconductores modificará radicalmente el diseño, la operación y el mantenimiento de los equipos. Los transformadores, limitadores de corriente, motores, conductores y almacenadores de energía son los principales productos que tendrán un impacto importante en transmisión y distribución. Las principales ventajas que ofrecerán los productos incluyen la eliminación de las pérdidas eléctricas, la reducción del tamaño de los equipos y un ciclo de vida más prolongado.
Transformadores
Se estima una reducción importante en el peso de los transformadores de potencia: por ejemplo, un transformador de 30 MVA que pesa actualmente 48 toneladas puede reducirse a 16 (70% más ligero). Su capacidad de sobrecarga podrá ser de 200% sin reducción de su vida útil.
Generadores y motores
En el caso de los generadores síncronos, la primera aplicación de los superconductores consistió en la sustitución de chumaceras para eliminar pérdidas por fricción y, en una segunda etapa, se introdujo un devanado de campo basado en superconductores enfriados con nitrógeno líquido. Las principales compañías fabricantes de generadores en el mundo están en la etapa de desarrollo de estos productos y se estima que en una década serán puestos en operación comercial. En Osaka, Japón, se espera probar durante el presente año un generador superconductor de dos polos con una potencia de salida de 70 MW.
Limitadores de corriente
Estos dispositivos que sirven para limitar las corrientes de cortocircuito cuando ocurre una falla en una red eléctrica sustituirán a los relevadores electromecánicos de protección que tienen tiempos de operación largos, que no evitan las grandes corrientes que se generan en una falla y que requieren mucho mantenimiento. Entre las ventajas que ofrecen están una mayor confiabilidad y flexibilidad en la operación de las redes eléctricas. Se ha construido un prototipo de limitador de corriente para voltajes de 15 kV, el cual puede interrumpir corrientes de 20 kA en menos de medio ciclo.
Actualmente existen en nuestro país ciudades con una gran concentración de habitantes en donde la densidad de carga es muy alta si se compara con otras regiones de México. Un ejemplo es el área metropolitana de la ciudad de México, donde la alta densidad de carga ha tenido como consecuencia una elevación de los niveles de cortocircuito en algunas subestaciones. En muchas instancias, dichos niveles rebasan la capacidad interruptiva del equipo de protección existente e incluso están próximos a exceder la capacidad de los interruptores de potencia que se fabrican en la actualidad. Seguramente una solución a mediano plazo podría ser la aplicación de limitadores de corriente superconductores con las ventajas que se mencionan anteriormente.
Cables superconductores
Los cables superconductores de alta temperatura podrán llevar entre cinco y diez veces más potencia que los cables convencionales. Por la necesidad de enfriamiento en todo su largo, se emplearán más en distancias cortas. Con esta tecnología podrán utilizarse mejor los derechos de vía, especialmente en las zonas urbanas. En la actualidad se tienen prototipos de tipo de superconductores de dieléctrico criogénico con capacidad para conducir hasta cuatro veces la corriente de un cable convencional con pérdidas menores a 30%. Se espera que en el futuro cercano se logre transportar hasta diez veces más la potencia que con un cable convencional.
En Japón, Tepco está trabajando con Sumitomo Electric Industries y Furukawa Cabling Systems en el desarrollo de un sistema con cable HTS capaz de transmitir 1 000 MVA a 6 kV (tensión de distribución actual de la ciudad de Tokio) con la meta final de construir un anillo alrededor de la capital japonesa para satisfacer sus crecientes necesidades.
El uso de los superconductores en México tendrá un gran impacto en la configuración de la red tanto en la generación como en la transformación y en la transmisión de energía. Para ilustrar con un ejemplo la repercusión que puede tener en la transmisión de energía, con la tecnología de los cables HTS sería posible la transmisión de toda la energía que produce la central termoeléctrica de Valle de México: 750 MVA al voltaje de generación, que es de 20 kV, el cual también sería el voltaje de distribución en la ciudad de México, eliminando los pasos actuales de transformación (de 20 a 230 kV, de 230 a 115 kV y de 115 a 23 kV).
Para analizar el impacto que tendrán las nuevas tecnologías en nuestro país es necesario establecer una escala de tiempo (cuadro 1).
CUADRO 1. Escala de tiempo para las nuevas tecnologías.
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Almacenamiento
El almacenamiento de alta potencia y baja energía en bobinas superconductoras está empezando a entrar en el mercado. Estos dispositivos pueden sustituir a las baterías como elementos de almacenamiento para mantener la operación de equipos o procesos críticos. Para las compañías eléctricas, y en un horizonte de unos diez años, puede servir para almacenar energía que debe usarse en las horas de alta demanda, sin necesidad de aumentar la potencia instalada de generación. En la industria, la aplicación de este tipo de almacenamiento sería ventajosa para aquellos procesos en donde cualquier interrupción significa una pérdida económica importante, pues incluso las más pequeñas y breves depresiones de voltaje no afectarían al proceso.
Semiconductores para usos en electrónica de potencia
Recientemente se han dado desarrollos en elementos de estado sólido para aplicaciones en electrónica de potencia que permiten el manejo de altas corrientes y altos voltajes.
Con dispositivos electrónicos será posible disponer de una mejor administración y configuración del sistema de potencia. Estos dispositivos sufren mucho menos desgaste que los dispositivos mecánicos actualmente empleados en la conmutación eléctrica y, por lo tanto, requerirán menos labores de mantenimiento.
Para los voltajes de distribución, la electrónica de potencia será la base para satisfacer la demanda de alta calidad del servicio eléctrico y también ayudará a integrar las fuentes distribuidas de energía, incluidas las renovables.
Por otra parte, el uso de dispositivos electrónicos conmutables permite la variación de los niveles de voltaje sin un transformador convencional de núcleo magnético. La conversión de energía se realiza con alta eficiencia y sin generar armónicos. Esta tecnología permitirá crear dispositivos de bajo peso y volumen para efectuar el proceso de elevación de voltaje, así como la transformación a distintos niveles de corriente directa sin requerir la transformación a través de transformadores de corriente alterna. También facilitará la interconexión de sistemas de diferentes frecuencias.
Dentro de los planes de generación existentes en nuestro país, se plantea la ampliación de centros de generación cerca de las costas y alejados de los centros urbanos.
A largo plazo, la aparición de productores independientes en nuestro país y el posible acceso a la transmisión obliga a tener un sistema de transmisión flexible y confiable. Lo anterior también es posible mediante la aplicación de semiconductores de potencia para el control de los parámetros que intervienen en la transferencia de potencia. Con el crecimiento histórico, de entre 5 y 7% anual, en la longitud de las líneas de transmisión, basado en los volúmenes de transferencia de potencia limitados por la potencia natural de las mismas, en los próximos veinte años será necesario duplicar la infraestructura de transmisión actual. Una alternativa para este crecimiento se podrá obtener si se hace uso de la electrónica de potencia, buscando incrementar la transferencia de potencia tanto de la infraestructura actual de transmisión como la de las nuevas líneas que se construyan. La aplicación de la electrónica de potencia en los medios de compensación de potencia reactiva, compensación serie y compensación serie/paralelo podrá permitir incrementos de aproximadamente 35% en la capacidad de transferencia de potencia de las líneas de transmisión. Otra opción será utilizar líneas de corriente directa que permitirían incrementar entre 35 y 50% de potencia transferida a través de los corredores de derechos de vía similares a los de las líneas de corriente alterna.
Electrotecnologías
Las electrotecnologías emplean electricidad directamente para fabricar o transformar un producto. En la mayoría de las electrotecnologías los efectos electromagnéticos, electroquímicos o electrotérmicos son partes inherentes del proceso. En muchas aplicaciones, la electricidad tiene ventajas sobre otras fuentes de energía, tales como disponibilidad y eficiencia en el sitio que se requiera, control preciso, confiabilidad y seguridad en el suministro. Las electrotecnologías son más eficientes energéticamente y tienen menor impacto ambiental que las tecnologías que sustituyen. Algunos ejemplos de estas electrotecnologías son las siguientes: procesamiento por medio de microondas, separación electrostática, síntesis electroquímica, secado de textiles por radiofrecuencia, arcos eléctricos para producción de acero, y curado infrarrojo y ultravioleta para recubrimientos y terminados. Las electrotecnologías crearán una mayor demanda de electricidad, pero reducirán las necesidades energéticas globales de los procesos, usarán menos materias primas que los procesos que sustituyen y serán más benéficas para el medio ambiente.
Transporte eléctrico
El transporte eléctrico reduce la contaminación y la producción de gases con efecto invernadero. El mayor uso del transporte eléctrico, masivo o individual afectará de manera importante la demanda de energía eléctrica.
El desarrollo de los vehículos eléctricos individuales ha estado limitado por el desarrollo de las baterías que usan para almacenar energía. Por otra parte, y como competencia de los vehículos eléctricos, ha surgido el desarrollo de vehículos "híbridos" que generan la energía eléctrica en el propio vehículo, ya sea con celdas de combustible o con motores de combustión interna de alta eficiencia. En esta sección se comentarán sólo los vehículos eléctricos sin generación propia.
Las cuatro características principales que deben tener las baterías para que permitan el uso extensivo de los vehículos eléctricos son los siguientes: alta capacidad de almacenamiento de energías (alcance), alta densidad energética (tamaño), alta potencia (aceleración) y ciclo de vida largo (costo). Existen programas para alcanzar valores adecuados en estos parámetros en unos cinco años. En México existen nichos que aceptan vehículos eléctricos con la tecnología existente: automóviles de ciudad, vehículos de reparto, transporte de pasajeros con ruta fija y vehículos para servicios. Actualmente, el parque vehicular en la zona conurbada del valle de México se estima en poco más de tres millones y se proyecta que en el año 2020 será de cerca de cinco millones.
La energía eléctrica que se requiere para cargar los vehículos eléctricos deberá suministrarse a través de la red eléctrica. El perfil de consumo de energía eléctrica muestra un valle entre la medianoche y la madrugada, una demanda sostenida durante las horas diurnas y un pico de demanda máxima en las primeras horas de la noche. Si los vehículos eléctricos se cargan en las horas de menor consumo, es posible cargar más de 450 mil vehículos eléctricos para mantener la demanda nocturna similar a la diurna. Esto significa que las centrales eléctricas que suministran la energía eléctrica al área central podrán trabajar continuamente con el mismo nivel de carga, con lo que se mejora su eficiencia y sólo se incurre en gastos marginales de combustible. Haciendo el mismo ejercicio para el Sistema Eléctrico Interconectado Nacional, la capacidad disponible permite asegurar el suministro a más de dos millones de vehículos eléctricos, sin inversiones adicionales, aprovechando los valles nocturnos.
Materiales
Con la introducción de nuevos materiales, los equipos eléctricos para generación, transmisión y distribución de energía han experimentado cambios graduales que los han hecho más eficientes. Sin embargo, la mayoría de los equipos han mantenido el mismo diseño básico durante muchos años. Los aceros magnéticos de grano orientado con aleaciones de silicio han permitido operar los circuitos magnéticos de los equipos a una mayor densidad de flujo y con menores pérdidas que los aceros convencionales. La reciente introducción de los imanes permanentes de NdFeB de muy alta magnetización continúa creciendo en importancia, permitiendo el diseño de máquinas más compactas y eficientes. Con el continuo mejoramiento en los materiales y procesos de fabricación, los materiales magnéticos de muy alta permeabilidad basados en óxidos de tierras raras tienen aplicación en generadores de alto campo magnético o en chumaceras magnéticas (levitación).
De igual forma, los materiales aislantes, principalmente los sintéticos, han tenido un papel muy importante para que los equipos operen a gradientes eléctricos, térmicos y mecánicos más elevados. Como consecuencia, los equipos eléctricos son más eficientes y compactos. La disponibilidad de terreno en las grandes ciudades ha obligado a emplear subestaciones compactas aisladas en SF6, un gas electronegativo de alta rigidez dieléctrica, para facilitar su instalación y operación en las grandes ciudades. Este mismo gas se emplea ampliamente en interruptores de potencia para incrementar su eficiencia.
Los motores monofásicos convencionales requieren de una alta corriente de arranque, frecuentemente tienen insuficiente par de arranque, son limitados en potencia y presentan baja confiabilidad; estos problemas pueden resolverse potencialmente mediante el desarrollo de motores de polos grabados (written pole motors), los cuales son los primeros diseños de motores monofásicos en el rango de 10 a 100 HP, en contraste con los motores monofásicos convencionales que no exceden de 15 HP.
Generación distribuida
La integración de fuentes distribuidas de energía a las redes eléctricas de potencia reducirá las pérdidas asociadas con la transmisión y la distribución. De igual forma, se pueden afectar las demandas pico, con lo que se podrán diferir inversiones en capacidad de generación. Si esta generación distribuida llegara a tener realmente una ventaja económica, sería posible que las redes de transmisión y distribución se convirtieran paulatinamente en redes de respaldo.
Uso eficiente de la energía
En el mundo continúa el interés por los programas de incremento de la eficiencia energética de los procesos. La aplicación en México de la normatividad es reciente y actualmente se llevan a cabo estudios para determinar el impacto real que han tenido estas medidas. En otras partes del mundo sigue el desarrollo de tecnologías para hacer más eficientes los productos y procesos que usan electricidad. Hay algunos desarrollos dirigidos a aumentar la eficiencia energética de la producción de aluminio en la industria química, la producción de cemento, vidrio y cerámica, y los procesos de producción de hierro y acero.
Por otra parte, para el uso doméstico también se tienen mejoras: desde incrementos en la eficiencia de refrigeradores y aires acondicionados hasta lámparas compactas.
El impacto del uso eficiente de energía se basa en la adopción de una serie de medidas de eficiencia del lado del suministro y del lado de la demanda en la generación, la transmisión, la distribución y los usos finales. Estas medidas implican mejorar el factor de la capacidad de carga de la planta sobre 65%, reduciendo las pérdidas de transmisión y distribución alrededor de 15% y logrando un mejoramiento de 20% a 30% en la eficiencia de uso final de motores, alumbrado y sistemas de refrigeración.
En un análisis preliminar para el desarrollo de la administración de la demanda en el sector industrial de México se sugiere que se podría reducir el crecimiento de la demanda en aproximadamente 5 000 MW para el año 2 010 (lo que representa una disminución de 36% del programa de inversión en generación de la CFE), con un agresivo programa de administración del lado de la demanda (DSM, por sus siglas en inglés) para reducir o mejorar el manejo de cargas industriales para varios usos finales.
Los ahorros en energía para el año 2010 podrían alcanzar valores arriba de 17 000 GWh. La mayoría de estas inversiones tienen atractivos en cuanto a beneficio/costo.
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