Carga siguiente planta de energía - Load following power plant

Una planta de energía posterior a la carga , que se considera que produce electricidad de mérito medio o precio medio, es una planta de energía que ajusta su producción de energía a medida que la demanda de electricidad fluctúa a lo largo del día. Las plantas de seguimiento de carga se encuentran típicamente entre la carga base y las plantas de energía de pico en eficiencia, velocidad de arranque y parada, costo de construcción, costo de electricidad y factor de capacidad .

Plantas de energía de carga base y pico

Las plantas de energía de carga base son plantas despachables que tienden a operar al máximo rendimiento. Por lo general, apagan o reducen la energía solo para realizar tareas de mantenimiento o reparación o debido a limitaciones de la red. Las centrales eléctricas que operan principalmente de esta manera incluyen plantas de carbón , fuel oil , nucleares , geotérmicas , hidroeléctricas de pasada , biomasa y de ciclo combinado de gas natural .

Las plantas de energía pico operan solo durante los momentos de máxima demanda. En países con aire acondicionado generalizado , la demanda alcanza su punto máximo alrededor de la mitad de la tarde, por lo que una planta de energía pico típica puede comenzar un par de horas antes de este punto y apagarse un par de horas después. Sin embargo, la duración de la operación de las plantas en pico varía desde una buena parte del día de vigilia hasta solo un par de docenas de horas al año. Las plantas de energía pico incluyen plantas de energía hidroeléctrica y de turbinas de gas . Muchas centrales eléctricas de turbinas de gas pueden alimentarse con gas natural, fuel oil y / o diesel , lo que permite una mayor flexibilidad en la elección de la operación, por ejemplo, mientras que la mayoría de las plantas de turbinas de gas queman principalmente gas natural, un suministro de fuel oil y / o diesel. a veces se mantiene a mano en caso de que se interrumpa el suministro de gas. Otras turbinas de gas solo pueden quemar un solo combustible.

Carga siguientes plantas de energía

Por el contrario, las centrales eléctricas de seguimiento de carga generalmente funcionan durante el día y las primeras horas de la noche, y funcionan en respuesta directa a la demanda cambiante de suministro de energía. O apagan o reducen en gran medida la producción durante la noche y temprano en la mañana, cuando la demanda de electricidad es la más baja. Las horas exactas de funcionamiento dependen de numerosos factores. Uno de los factores más importantes para una planta en particular es la eficiencia con la que puede convertir el combustible en electricidad. Las plantas más eficientes, que casi siempre son las menos costosas de operar por kilovatio-hora producido, se ponen en funcionamiento primero. A medida que aumenta la demanda, las siguientes plantas más eficientes se ponen en funcionamiento y así sucesivamente. El estado de la red eléctrica en esa región, especialmente cuánta capacidad de generación de carga base tiene y la variación en la demanda también son muy importantes. Un factor adicional para la variabilidad operativa es que la demanda no varía solo entre la noche y el día. También hay variaciones significativas en la época del año y el día de la semana. Una región que tiene grandes variaciones en la demanda requerirá una gran carga siguiendo o alcanzando la capacidad de la planta de energía porque las plantas de energía de carga base solo pueden cubrir la capacidad igual a la necesaria durante los momentos de menor demanda.

Las centrales eléctricas que siguen la carga pueden ser centrales hidroeléctricas, centrales eléctricas con motores diésel y de gas , centrales eléctricas de turbinas de gas de ciclo combinado y centrales eléctricas de turbinas de vapor que funcionan con gas natural o fuel oil pesado, aunque las plantas de fuel oil pesado constituyen una parte muy pequeña de la mezcla energética. Un modelo relativamente eficiente de turbina de gas que funcione con gas natural también puede generar una carga decente después de la planta.

Centrales eléctricas de turbinas de gas

Las centrales eléctricas de turbinas de gas son las más flexibles en términos de ajuste del nivel de potencia, pero también se encuentran entre las más caras de operar. Por lo tanto, generalmente se utilizan como unidades de "pico" en momentos de máxima demanda de energía. Las turbinas de gas tienen una aplicación limitada como motores principales para la generación de energía; uno de esos usos es la generación de energía en instalaciones militares remotas, minas y comunidades rurales o aisladas. Esto se debe a que los generadores de turbinas de gas suelen tener tasas de pérdida de calor significativamente más altas que las centrales eléctricas de turbinas de vapor o diesel; sus mayores costos de combustible superan rápidamente sus ventajas iniciales en la mayoría de las aplicaciones. Las aplicaciones a evaluar incluyen:

  1. Suministrar requisitos de energía relativamente grandes en una instalación donde el espacio es un premio importante, como las estructuras reforzadas.
  2. Sitios móviles, temporales o de difícil acceso, como comunidades aisladas, sitios mineros aislados o estaciones de apoyo de tropas o de línea de visión.
  3. Peak shaving, en conjunto con una estación generadora más eficiente.
  4. Energía de emergencia, donde la operación liviana y relativamente libre de vibraciones de una turbina de gas es de mayor importancia que el consumo de combustible durante períodos cortos de operación. Sin embargo, el tiempo de arranque de las turbinas de gas puede no ser adecuado para una aplicación determinada.
  5. Plantas de energía de ciclo combinado o de cogeneración en las que el calor residual de escape de la turbina se puede utilizar económicamente para generar energía adicional y energía térmica para procesos o calefacción de espacios.

Centrales eléctricas con motores diésel y de gas

Las centrales eléctricas con motores diésel y de gas se pueden utilizar para la producción de energía de carga base a de reserva debido a su alta flexibilidad general. Estas centrales eléctricas se pueden poner en marcha rápidamente para satisfacer las demandas de la red. Estos motores se pueden operar de manera eficiente con una amplia variedad de combustibles, lo que aumenta su flexibilidad.

Algunas aplicaciones son: generación de energía de carga base, viento-diesel, seguimiento de carga, cogeneración y trigeneración.

Centrales hidroeléctricas

Las plantas de energía hidroeléctrica pueden operar como plantas de energía de carga base, de seguimiento de carga o de pico. Tienen la capacidad de comenzar en minutos y, en algunos casos, segundos. El funcionamiento de la planta depende en gran medida de su suministro de agua, ya que muchas plantas no tienen suficiente agua para funcionar cerca de su capacidad máxima de forma continua.

Donde existan presas hidroeléctricas o embalses asociados, estos a menudo se pueden respaldar, reservando la extracción hidroeléctrica para un horario pico. Esto introduce estrés ecológico y mecánico, por lo que se practica menos hoy que antes. Los lagos y embalses artificiales utilizados para la energía hidroeléctrica vienen en todos los tamaños, y contienen suficiente agua para un suministro de un día (una variación máxima diurna) o hasta un suministro anual (lo que permite la variación máxima estacional). Una planta con un embalse que contiene menos que el caudal anual del río puede cambiar su estilo de funcionamiento según la estación del año. Por ejemplo, la planta puede operar como una planta de pico durante la estación seca, como una planta de carga base durante la estación húmeda y como una planta de carga siguiente entre estaciones. Una planta con un gran depósito puede operar independientemente de las estaciones secas y húmedas, como operar a su máxima capacidad durante las temporadas pico de calefacción o enfriamiento.

Cuando la generación eléctrica que abastece a la red y el consumo o la carga en la red eléctrica están en equilibrio, la frecuencia de la corriente alterna está en su tasa normal (50 o 60 hercios). Las plantas de energía hidroeléctrica se pueden utilizar para generar ingresos adicionales en una red eléctrica con frecuencia de red errática. Cuando la frecuencia de la red está por encima de lo normal (por ejemplo, la frecuencia de la red de la India supera los 50 Hz nominales durante la mayor parte de la duración en un mes / día), la energía adicional disponible se puede consumir agregando carga adicional (por ejemplo, bombas de agua agrícolas) a la red y este nuevo consumo de energía está disponible a precio nominal o sin precio. Sin embargo, es posible que no haya garantía de suministro continuo a ese precio cuando la frecuencia de la red cae por debajo de lo normal, lo que exigiría un precio más alto.

Para detener la caída de frecuencia por debajo de lo normal, las centrales hidroeléctricas disponibles se mantienen en funcionamiento sin carga / carga nominal y la carga aumenta o disminuye automáticamente siguiendo estrictamente la frecuencia de la red (es decir, las unidades hidráulicas funcionarían sin carga cuando la frecuencia está por encima de 50 Hz y genera energía a plena carga en caso de que la frecuencia de la red sea inferior a 50 Hz). Por lo tanto, una empresa de servicios públicos puede extraer dos o más veces la energía de la red al cargar las unidades hidráulicas menos del 50% de la duración y el uso efectivo del agua disponible se mejora más del doble de la operación de carga máxima convencional.

BPA Daily Peak Load con gran Hydro, carga base Generación térmica y energía eólica intermitente. Hydro sigue la carga y gestiona los picos, con alguna respuesta de la carga térmica base.

Ejemplo de carga máxima diaria (para la Administración de Energía de Bonneville) con grandes centrales hidroeléctricas, generación térmica de carga base y energía eólica intermitente. Hydro sigue la carga y gestiona los picos, con alguna respuesta de la carga térmica base. Tenga en cuenta que la generación total es siempre mayor que la carga total de BPA porque la mayor parte del tiempo BPA es un exportador neto de energía. La carga de BPA no incluye energía programada para otras áreas de autoridad de balance.

Plantas de energía a base de carbón

Las plantas de energía térmica de carbón de gran tamaño también se pueden utilizar como estaciones de energía de carga variable / seguimiento de carga en diversos grados, siendo las plantas de carbón duro típicamente significativamente más flexibles que las plantas de carbón de lignito . Algunas de las características que se pueden encontrar en las plantas de carbón que se han optimizado para las siguientes cargas incluyen:

  • Operación de presión deslizante: La operación de presión deslizante del generador de vapor permite que la planta de energía genere electricidad sin mucho deterioro en la eficiencia del combustible en la operación de carga parcial hasta el 75% de la capacidad de la placa de identificación .
  • Capacidad de sobrecarga: las plantas de energía generalmente están diseñadas para funcionar entre un 5% y un 7% por encima de la clasificación de la placa de identificación durante un 5% de duración en un año.
  • Controles del gobernador de seguimiento de frecuencia : la generación de carga se puede variar automáticamente para adaptarse a las necesidades de frecuencia de la red.
  • Funcionamiento diario en dos turnos durante cinco días a la semana: el arranque en caliente y en caliente necesario de estas centrales eléctricas está diseñado para tomar menos tiempo para lograr el funcionamiento a plena carga. Por lo tanto, estas plantas de energía no son unidades de generación de energía de carga base estrictamente.
  • Sistemas de derivación de vapor HP / LP: esta característica permite que el turbogenerador de vapor reduzca la carga rápidamente y permite que el generador de vapor se ajuste a los requisitos de carga con un retraso.

Plantas de energía nuclear

Históricamente, las plantas de energía nuclear se construyeron como plantas de carga base, sin capacidad de seguimiento de carga para mantener el diseño simple. Su puesta en marcha o apagado tomó muchas horas, ya que fueron diseñados para funcionar a la máxima potencia, y calentar los generadores de vapor a la temperatura deseada llevó tiempo.

Las plantas nucleares modernas con reactores de agua ligera están diseñadas para tener capacidades de maniobra en el rango del 30-100% con una pendiente del 5% / minuto. Las plantas de energía nuclear en Francia y en Alemania operan en modo de seguimiento de carga y, por lo tanto, participan en el control de frecuencia primario y secundario. Algunas unidades siguen un programa de carga variable con uno o dos grandes cambios de potencia por día. Algunos diseños permiten cambios rápidos de nivel de potencia alrededor de la potencia nominal, una capacidad que se puede utilizar para la regulación de frecuencia. Una solución más eficiente es mantener el circuito primario a plena potencia y utilizar el exceso de potencia para la cogeneración.

Si bien la mayoría de las plantas de energía nuclear en funcionamiento a principios de la década de 2000 ya estaban diseñadas con fuertes capacidades de seguimiento de carga, es posible que no se hayan utilizado como tales por razones puramente económicas: la generación de energía nuclear se compone casi en su totalidad de costos fijos y hundidos, lo que reduce la producción de energía no reduce significativamente los costos de generación, por lo que fue más efectivo ejecutarlos a plena potencia la mayor parte del tiempo. En países donde la carga de base era predominantemente nuclear (por ejemplo, Francia), el modo de seguimiento de carga se volvió económico debido a que la demanda total de electricidad fluctuaba a lo largo del día.

Reactores de agua hirviendo

Los reactores de agua en ebullición (BWR) pueden variar la velocidad del flujo de agua de recirculación para reducir rápidamente su nivel de potencia hasta un 60% de la potencia nominal (hasta un 10% / minuto), lo que los hace útiles para el seguimiento de cargas durante la noche. También pueden usar la manipulación de la barra de control para lograr reducciones más profundas en la potencia. Algunos diseños de BWR no tienen bombas de recirculación, y estos diseños deben depender únicamente de la manipulación de la barra de control para que la carga siga, lo que posiblemente sea menos ideal. En mercados como Chicago, Illinois, donde la mitad de la flota de servicios públicos locales son BWR, es común seguir carga (aunque potencialmente menos económico hacerlo).

Reactores de agua a presión

Los reactores de agua presurizada (PWR) utilizan una combinación de calzas químicas (típicamente boro ) en el moderador / refrigerante, manipulación de la barra de control y control de velocidad de la turbina (ver tecnología de reactores nucleares ) para modificar los niveles de potencia. Para los PWR que no están diseñados explícitamente con el seguimiento de carga en mente, la operación de seguimiento de carga no es tan común como lo es con los BWR. Sin embargo, los PWR modernos generalmente están diseñados para manejar un seguimiento de carga regular extenso, y los PWR franceses y alemanes en particular se han diseñado históricamente con diversos grados de capacidades mejoradas de seguimiento de carga.

Francia, en particular, tiene una larga historia de utilización de seguimiento de carga agresivo con sus PWR, que son capaces de (y se utilizan) para el control de frecuencia tanto primario como secundario, además del seguimiento de carga. Los PWR franceses utilizan las llamadas barras de control "grises" que tienen una menor capacidad de absorción de neutrones y se utilizan para ajustar la potencia del reactor, a diferencia de las barras de control "negras" para maniobrar la energía más rápidamente de lo que permiten el control de calzas químicas o las barras de control convencionales. . Estos reactores tienen la capacidad de variar regularmente su salida entre el 30 y el 100% de la potencia nominal, para maniobrar hacia arriba o hacia abajo en un 2–5% / minuto durante las actividades de seguimiento de carga y para participar en el control de frecuencia primaria y secundaria a ± 2– 3% (control de frecuencia primaria) y ± 3-5% (control de frecuencia secundaria, ≥5% para reactores N4 en Modo X). Dependiendo del diseño exacto y el modo de operación, su capacidad para manejar operaciones de baja potencia o rampas rápidas puede estar parcialmente limitada durante las últimas etapas del ciclo de combustible.

Reactores de agua pesada a presión

Los diseños modernos de CANDU tienen amplias capacidades de derivación de vapor que permiten un método diferente de seguimiento de carga que no implica necesariamente cambios en la potencia de salida del reactor. La estación de generación nuclear Bruce es un reactor de agua pesada presurizada CANDU que utiliza regularmente su capacidad para desviar parcialmente el vapor al condensador durante períodos prolongados de tiempo mientras la turbina está en funcionamiento para proporcionar 300 MW por unidad (2400 MW en total para la planta de ocho unidades) de capacidades de operación flexibles (seguimiento de carga). La potencia del reactor se mantiene al mismo nivel durante las operaciones de derivación de vapor, lo que evita por completo el envenenamiento por xenón y otras preocupaciones asociadas con la salida de potencia del reactor de maniobra.

Plantas de energía solar térmica

Las plantas de energía solar concentrada con almacenamiento térmico están surgiendo como una opción para las centrales eléctricas de seguimiento de carga. Pueden satisfacer la demanda de carga y funcionar como centrales eléctricas de carga base cuando la energía solar extraída se encuentra en exceso en un día. La combinación adecuada de almacenamiento térmico solar y energía solar fotovoltaica puede adaptarse completamente a las fluctuaciones de carga sin la necesidad de un costoso almacenamiento de batería.

Centrales eléctricas de pila de combustible

Las plantas de energía de celda de combustible a base de hidrógeno son una carga perfecta después de las plantas de energía como los conjuntos de DG de emergencia o los sistemas de almacenamiento de baterías. Pueden funcionar de cero a carga completa en pocos minutos. Como el transporte de hidrógeno a los consumidores industriales lejanos es costoso, el hidrógeno excedente producido como subproducto de varias plantas químicas se utiliza para la generación de energía en las plantas de energía de pila de combustible. Además, no contaminan el aire ni el agua. De hecho, limpian el aire ambiental mediante la extracción de partículas PM2.5 y también generan agua pura para aplicaciones industriales y para beber.

Plantas de energía solar fotovoltaica y eólica

Ver también: Tarifa basada en disponibilidad

La potencia variable de las energías renovables, como las plantas de energía solar y eólica, se puede utilizar para seguir la carga o estabilizar la frecuencia de la red con la ayuda de varios medios de almacenamiento. Para los países que están alejándose de las plantas de carga base de carbón y hacia fuentes de energía intermitentes como la eólica y la solar, que aún no han implementado por completo medidas de redes inteligentes como la gestión del lado de la demanda para responder rápidamente a los cambios en este suministro, puede haber una necesidad para plantas de energía de seguimiento de carga o picos dedicados y el uso de una interconexión de red, al menos hasta que los mecanismos de desvío de carga y atenuación de picos se implementen lo suficientemente ampliamente como para igualar el suministro. Vea las alternativas de redes inteligentes a continuación.

El almacenamiento de baterías recargables a partir de 2018, cuando se construye a medida para este propósito sin reutilizar baterías de vehículos eléctricos, cuesta $ 209 por kWh en promedio en los Estados Unidos. Cuando la frecuencia de la red está por debajo del valor nominal o deseado, la energía que se genera (si existe) y la energía de la batería almacenada se alimenta a la red para aumentar la frecuencia de la red. Cuando la frecuencia de la red está por encima del valor nominal o deseado, la energía que se genera se alimenta o el excedente de energía de la red se extrae (en caso de que esté disponible a bajo costo) a las unidades de batería para el almacenamiento de energía. La frecuencia de la red sigue fluctuando de 50 a 100 veces en un día por encima y por debajo del valor nominal según el tipo de carga encontrada y el tipo de plantas generadoras en la red eléctrica. Recientemente, el costo de las unidades de batería, las plantas de energía solar, etc. se ha reducido drásticamente para utilizar la energía secundaria para la estabilización de la red eléctrica como reserva giratoria en línea .

Nuevos estudios también han evaluado tanto las plantas eólicas como las solares para seguir los cambios rápidos de carga. Un estudio de Gevorgian et al ha demostrado la capacidad de las plantas solares para proporcionar seguimiento de carga y reservas rápidas en sistemas de energía de islas como Puerto Rico y grandes sistemas de energía en California.

Redes inteligentes de energía solar y eólica

La naturaleza descentralizada e intermitente de la generación solar y eólica implica la construcción de redes de señalización en vastas áreas. Estos incluyen grandes consumidores con usos discrecionales y cada vez más incluyen usuarios mucho más pequeños. En conjunto, estas tecnologías de señalización y comunicación se denominan " red inteligente ". Cuando estas tecnologías llegan a la mayoría de los dispositivos conectados a la red, a veces se usa el término Energy Internet , aunque esto se considera más comúnmente como un aspecto del Internet de las cosas .

En 2010, el presidente de la FERC de EE. UU. , Jon Wellinghof, describió la opinión de la administración de Obama de que prefería la señalización de redes inteligentes a las centrales eléctricas de seguimiento de carga dedicada, y describió el seguimiento como inherentemente ineficiente. En Scientific American enumeró algunas de estas medidas:

  • "apagando el ciclo de descongelación en el refrigerador en un momento dado ... la rejilla podría indicar ... Mientras ese refrigerador se descongelara al final del día, a usted, como consumidor, no le importaría, pero en última instancia, el la red podría funcionar de manera más eficiente ".
  • "... si no hicieras eso con el refrigerador, lo habrías hecho con la planta de carbón o la turbina de combustión funcionando hacia arriba y hacia abajo, y hacer eso hace que la unidad funcione de manera mucho más ineficiente".

En ese momento, comenzaba la integración de la batería de los vehículos eléctricos en la red. Wellinghof se refirió (ibid) a "estos autos ahora se les paga en Delaware: $ 7 a $ 10 por día por automóvil. Se les paga más de $ 3,000 al año por usar estos autos para simplemente controlar el servicio de regulación en la red cuando se cargan".

Baterías de vehículos eléctricos como carga distribuida siguiente o almacenamiento

Debido al muy alto costo del almacenamiento de batería dedicado, el uso de baterías de vehículos eléctricos mientras se cargan en vehículos (ver red inteligente ) y en arreglos de almacenamiento de energía de red estacionaria como una reutilización al final de su vida útil una vez que ya no tienen suficiente cargo por uso en carretera, se ha convertido en el método preferido de seguimiento de carga sobre las centrales eléctricas dedicadas. Estas matrices estacionarias actúan como una carga real después de la planta de energía, y su implementación puede "mejorar la asequibilidad de la compra de tales vehículos ... Las baterías que alcanzan el final de su vida útil dentro de la industria automotriz aún se pueden considerar para otras aplicaciones entre 70 -Aún queda el 80% de su capacidad original ". Estas baterías también se reutilizan a menudo en arreglos domésticos que sirven principalmente como respaldo, por lo que pueden participar mucho más fácilmente en la estabilización de la red. La cantidad de baterías de este tipo que no funcionan está aumentando rápidamente, por ejemplo, en Australia, donde la demanda de Tesla Powerwall aumentó 30 veces después de cortes de energía importantes.

Las baterías del hogar y de los vehículos se cargan siempre y necesariamente de manera receptiva cuando hay suministro disponible, lo que significa que todos participan en una red inteligente , porque la carga alta (una estimación japonesa fue de más de 7 GW para la mitad de los automóviles en Kanto) simplemente no se puede administrar en una red analógica , no sea que "La carga descoordinada puede resultar en la creación de un nuevo pico de carga" (ibid).

Dado que la carga debe administrarse, no hay un costo adicional para retrasar la carga o descargar estas baterías según sea necesario para el seguimiento de la carga , simplemente un cambio de software y, en algunos casos, un pago por las molestias de una carga incompleta o por el desgaste de la batería (por ejemplo, " $ 7 a $ 10 por día por automóvil "pagado en Delaware).

El Rocky Mountain Institute en 2015 enumeró las aplicaciones de tales redes distribuidas de baterías como (para "ISO / RTO") que incluyen "el almacenamiento de energía puede ofertar en los mercados de electricidad al por mayor" o para servicios públicos que incluyen:

RMI afirmó que "las baterías pueden proporcionar estos servicios de manera más confiable y a un costo menor que la tecnología que actualmente proporciona la mayoría de ellas centrales térmicas (ver más arriba, carbón y gas)", y también que "los sistemas de almacenamiento instalados detrás del medidor del cliente pueden ser enviados para brindar servicios de aplazamiento o adecuación a las empresas de servicios públicos ", tales como:

  • "Aplazamiento de actualización de transmisión y distribución. Cuando los pronósticos de carga indican que los nodos de transmisión o distribución excederán su capacidad de carga nominal, se pueden utilizar inversiones incrementales en almacenamiento de energía para aumentar de manera efectiva la capacidad del nodo y evitar actualizaciones costosas, grandes y sobreconstruidas en los propios nodos. "
  • "Alivio de la congestión de la transmisión. En ciertos momentos del día, los ISO cobran a los servicios públicos por usar líneas de transmisión congestionadas. La descarga de los sistemas de almacenamiento de energía ubicados aguas abajo de las líneas congestionadas puede evitar estos cargos".
  • "Adecuación de los recursos. En lugar de utilizar o invertir en turbinas de combustión para cumplir con los requisitos de generación máxima, las empresas de servicios públicos pueden recurrir a otros activos como el almacenamiento de energía".

Ver también

Referencias