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Por: Acad. Ing. Oscar Ferreño

El presente artículo presenta la Columna de Opinión del Ingeniero Oscar Ferreño, Director de Ventus, acerca del funcionamiento del sistema eléctrico y un nuevo modelo para el cálculo de la Potencia Firme.

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By: Acad. Eng. Oscar Ferreño

This article presents the Opinion Column of Engineer Oscar Ferreño, Director of Ventus, and goes over the operation of electrical systems and a new model for the calculation of the Firm Power.

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Fotografía tomada del Centro Nacional de Despacho – CND- XM S.A. E.S.P.

Funcionamiento de los sistemas eléctricos

Una de las características más relevantes de los sistemas eléctricos es que en estos, instante a instante, la producción debe ser igual al consumo. Para lograr ello existen las unidades de Despachos de Carga o también llamados Centros de Control de los Sistemas Eléctricos, que ordenan las máquinas que van ingresando al servicio para mantener el equilibrio entre la generación y la demanda y lo hacen en forma de costos crecientes a efectos de minimizar los costos de abastecimiento de la demanda.

El sistema prevé que existan generadores y consumidores que celebran entre sí contratos, pero el Despacho de Cargas es quien ordena qué unidades de generación deben abastecer la demanda. Luego se debe hacer una consolidación de las transacciones económicas efectivamente realizadas según los contratos celebrados.

Para evitar que el sistema pueda colapsar, es decir que en determinado instante la generación ofertada no sea suficiente para cubrir la demanda los contratos entre generadores y consumidores de energía que se realicen deben estar cimentados sobre una base de potencia firma o Confiabilidad.

En una definición clásica se determina la potencia firme como aquella que la tecnología puede dar ante un requerimiento del despacho de carga. Esta definición es fácilmente comprensible para una máquina térmica. En este caso la potencia firme es la potencia de “placa” multiplicada por la disponibilidad auditada en un período determinado. Según esta definición, la eólica, las centrales hidroeléctricas de paso y las solares no tienen potencia firme. Para las hidroeléctricas de embalse se suele utilizar una crónica hidrológica con una posibilidad de excedencia elevada, por ejemplo 95 %.

Sin embargo la razón de exigir potencia firme es como dijimos antes, la de evitar que el sistema pueda colapsar. En sistemas eléctricos con alta participación de tecnologías que con la definición clásica no tienen potencia firme los reglamentos pueden dar señales de inversión equivocadas. En efecto las tecnologías que no pueden cumplir un requerimiento de despacho se despachan solas y como la eólica, solar e hidráulica de paso (para el despacho de carga tienen un costo variable nulo) y al hacerlo desplazan a las tecnologías convencionales, haciendo que estas aumenten su disponibilidad, por ejemplo, haciendo durar más el agua de los embalses o disminuyendo las horas de marcha de
las térmicas y por lo tanto aumentando su disponibilidad. Esto lleva a que el sistema se vuelva más confiable, ya que las renovables que no tienen potencia firme, aumentan la confiabilidad.

Optimizar el cálculo de la potencia firme

Recientemente en Colombia se realizó una consulta pública acerca de la Confiabilidad o Potencia Firme de las Plantas Eólicas, para promover las fuentes de energías renovables en ese país.

A partir de ello Ventus propuso un método para el cálculo de la potencia firme de estas tecnologías que en forma clásica no tendrían potencia firme, así como lo propuso anteriormente en Uruguay, para modificar el método de cálculo para reconocer el aporte de confiabilidad que estas tecnologías traen a los sistemas eléctricos. Este método se deriva de otros usados internacionalmente y fue elaborado en conjunto con la consultora uruguaya Clerk.

A este método lo llamamos “Método del equivalente térmico”. Se calcula cuánta potencia precisa el sistema si este sólo fuera térmico. Es decir, cuántas turbinas de gas o cuántas máquinas térmicas se deberían poner en el sistema para que no colapse, es decir que nunca presente falla.

Obviamente esto indicaría que la potencia instalada térmica debería ser igual al pico máximo de consumo. Este resultado sería algo efectivo, pero no eficiente, debido a que la demanda es muy fluctuante. Para hacerlo eficiente podemos tomar un valor de la potencia térmica instalada que garantice una falla pequeña, por ejemplo un 1 ó 2%. A esta potencia térmica necesaria le llamamos “Requerimiento de potencia firme del sistema”.

Luego introducimos las hidroeléctricas de embalse, por ejemplo con una crónica hidrológica que de una excedencia del 95 % (o la crónica más seca). En este caso se calcula cuánto es ahora la potencia firme que se precisa, que se calculará en función de la térmica, se obtendrá que la potencia térmica necesaria es menor que para el caso de un sistema sólo térmico. A esta diferencia le llamamos “el aporte individual que realiza la hidroeléctrica a la disminución de los requerimientos de potencia firme del sistema”.

Luego repetimos el mismo proceso quitando la hidroeléctrica e introduciendo la solar o la eólica o la hidroeléctrica de paso, y hacemos el mismo cálculo para conocer el aporte de cada fuente a la potencia firme del sistema.

Luego repetimos el procedimiento introduciendo en forma simultánea todas las tecnologías y calculamos entonces el requerimiento de potencia firme real del sistema funcionado con todas en su conjunto.

Al contemplar en forma conjunta todos los aportes a la disminución de los requerimientos de potencia firme que hacen las distintas tecnologías, nos encontramos con una sinergia entre las las distintas fuentes, ya que los aportes a la disminución de los requerimientos de potencia firme del conjunto, es mayor que la suma de los aportes individuales.

Luego repartimos esa sinergia en forma proporcional a los aportes individuales de cada fuente de energía.

Creemos que esta metodología se adapta mejor a los sistemas que integran gran cantidad de tecnologías no despachables, como puede ser el futuro de todos los sistemas eléctricos.

Este método fue presentado por Ventus a las autoridades de Colombia en virtud de una reciente consulta pública realizada y también fue recogido en forma favorable por la GWEC.

Fuente: Mundo Eléctrico – Revista N°109 / www.mundoelectrico.com

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Photograph taken from the National Dispatch Center – CND- XM S.A. E.S.P.

Operation of electrical systems

One of the most important characteristics of the electrical systems is that in these systems the production must be equal to the consumption. In order to achieve this, there are units of Cargo Offices or also called Centers of Control of Electrical Systems, which order the machines that are entering the service to maintain the balance between generation and demand.

The system provides for generators and consumers to enter into contracts, but the Cargo Office is the one who orders which generation units must supply the demand. Then a consolidation of the economic transactions, carried out according to the contracts entered into, should be made.

In order to avoid that the system collapses, that is to say that at a given moment the generation offered is not enough to cover the demand, the contracts between generators and consumers of energy that are made must be cemented on a signature power base or Reliability.

In a classical definition, firm power is determined as that which technology can give before a requirement of freight dispatch. This definition is easily understood by a thermal machine. In this case the firm power is the power of «plate» multiplied by the availability audited in a determined period. According to this definition, wind power, hydroelectric power stations, and solar power plants have no firm power. For hydroelectric reservoirs, a hydrological chronicle with a possibility of high exceedance, for example 95%, is usually used.

However, the reason for demanding firm power is, as we said before, that of preventing the system from collapsing. In electrical systems with high participation of technologies that with the classic definition do not have firm power the regulations can give wrong signals of inversion. In fact, the technologies that cannot fulfill a dispatch requirement are dispatched alone and as wind, solar and hydraulic step (for cargo dispatch have a variable cost null) displace conventional technologies, causing them to increase Their availability, for example, by making the water in the reservoirs last longer or by decreasing the hours put into the thermals and therefore increasing its availability. This makes the system more reliable, because renewables that do not have firm power, increase the reliability.

Optimize the calculation of firm power

Recently, a public consultation was held in Colombia about the Reliability or Firm Power of Wind Power Plants, to promote renewable energy sources in that country.

Ventus proposed a method for calculating the firm power of these technologies, as it was previously proposed in Uruguay, to modify the calculation method and recognize the contribution of reliability that these technologies bring to the electrical systems. This method is derived from other methods used internationally and was developed in conjunction with the Uruguayan consultant Clerk.

We call this method «Thermal equivalent method». It calculates how much power the system needs if it is only thermal. That is to say, how many gas turbines or how many thermal machines should be placed in the system so that it does not collapse.

Obviously this would indicate that the installed thermal power should be equal to the peak of consumption. This result would be somewhat effective, but not efficient, because demand is very fluctuating. To make it efficient we can take a value of the installed thermal power that guarantees a small fault, for example 1 or 2%. To this necessary thermal power we call it «Requirement of firm power of the system».

We then introduce the reservoir hydroelectric plants, for example with a hydrological chronicle that exceeds 95% (or the driest chronicle). In this case it is calculates how much is now the firm power that is needed, which will be calculated as a function of the thermal. Obtaining that the necessary thermal power is lower than for the case of a thermal only system. This difference is called «the individual contribution made by the hydroelectric to the reduction of the requirements of firm power of the system».

We then repeat the same process by removing the hydroelectric and introducing the solar or the wind or the hydroelectric step, and we do the same calculation to know the contribution of each source to the firm power of the system.

We then repeat the procedure by simultaneously introducing all the technologies and then calculate the actual firm power requirement for the system working with all of them as a whole.

By considering together all the contributions to the decrease of the requirements of firm power that make the different technologies, we find a synergy between the different sources.

We then share this synergy proportionally to the individual contributions of each energy source.

We believe that this methodology is better suited for systems that integrate a large number of non-dispatchable technologies, such as the future of all electrical systems.

This method was presented by Ventus to the authorities of Colombia by virtue of a recent public consultation carried out and was also favorably collected by the GWEC.

Source: Mundo Eléctrico – Revista N°109 / www.mundoelectrico.com

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