Desde inicios de los años 70 del siglo pasado, México desarrolló, en forma intensiva, los sistemas para generar electricidad basados en combustibles fósiles. Esto se debió a dos razones fundamentales: primero, la necesidad y prontitud para apoyar el crecimiento económico y poblacional que tenía el país en esos días, y segundo, para utilizar el combustóleo, uno de los subproductos de la refinación que entonces fabricaban todas las refinerías mexicanas. Por ello, en esas épocas, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) construyó varias centrales termoeléctricas (CT) de capacidad importante: en Tula, Salamanca, Altamira, Manzanillo, Mazatlán, Río Bravo, entre otras.

En los últimos años, una parte importante de la flota de unidades termoeléctricas que queman combustóleo han estado fuera de operación por sus altos costos, las emisiones al medio ambiente que producen y la reducción en la fabricación de combustóleo a nivel nacional. Por otra parte, en los últimos 16 años se han preferido las centrales de ciclo combinado (CCC), debido a que utilizan un combustible más amigable con el medio ambiente, ofrecen alta eficiencia y reducen los costos de operación. Hasta finales de 2018, la CFE contaba con una capacidad instalada de 19,500 MW con estas dos tecnologías (11,280 CT y 8,220 CCC).

Como consecuencia de la Reforma Energética de 2013, así como por los compromisos adquiridos en la Conferencia 21 de las partes de Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (COP21), México favoreció la adquisición de centrales basadas en energías renovables. Éstas tendrán el inconveniente que en el día a día variarán en la generación por los cambios, en la intensidad de los vientos y por la intermitencia solar (de 6 a 8 horas diarias para generar).

Por esto último, es conveniente que se modernicen tanto las centrales termoeléctricas convencionales como las de ciclo combinado, con el fin de contar con energía suficiente para respaldar la variabilidad de las renovables, así como para diferir la inversión que se deba hacer en sistemas de almacenamiento de energía y en más centrales de energía renovable. Se debe revisar si las hidroeléctricas pueden aportar en este rubro.

Para exponer mejor el contenido en este apartado sobre CT, explicaremos brevemente como operan. Éstas utilizan generadores de vapor (también conocidos como calderas), donde se quema el combustóleo, para producir vapor a altas presiones y temperaturas dentro de los tubos de la caldera. El vapor producido se envía a turbinas de vapor, las cuales están acopladas a generadores eléctricos que producen la electricidad. El vapor se condensa en el escape de la turbina, y el agua se envía nuevamente al generador de vapor mediante bombas hidráulicas. Esto forma un ciclo, que en la termodinámica se conoce como Rankine. La eficiencia de éstos fluctúa entre 25 y 35%.

No olvidar que los gases de combustión del combustóleo incluyen componentes nocivos para los seres vivos que se descargan a la atmósfera desde las chimeneas, como partículas y bióxido de azufre, además del bióxido de carbono que influye en el calentamiento global.

Modernización de Generadores de Vapor

Lo que a continuación se describe son acciones que permiten modernizar generadores de vapor de CT para respaldar a la variabilidad de las renovables, así como para diferir la inversión en generación.

  Seguir utilizando combustóleo

Los gases producidos, al quemar el combustóleo, llevan consigo, además de los gases nocivos, agentes corrosivos que, a las temperaturas a las que operan, dañan las tuberías que integran el generador de vapor. Por tal motivo, la CFE implementó en el pasado, muchas veces con el apoyo del INEEL, acciones para retardar el impacto de los agentes corrosivos en las tuberías mencionadas con recubrimientos en zonas clave mediante la aplicación de capas metálicas. Lo descrito en este párrafo permitiría seguir utilizando CT con combustóleo, el cual seguirá produciéndose en algunas de las refinerías mexicanas como Salamanca, Tula y Salina Cruz.

  Uso de gas natural

Otra opción es utilizar gas natural en las CT. Este combustible no tiene los elementos corrosivos del combustóleo, pero desarrolla mayores temperaturas en los gases que transfieren calor al vapor en los componentes después del horno. Por ello, hay que cuidar las temperaturas que alcancen las paredes de los tubos, ya que se puede rebasar la temperatura de diseño, y dañarlos por corrosión a altas temperaturas (oxidación del metal a alta temperatura en presencia de oxígeno). Por lo explicado, el INEEL desarrolló años atrás una metodología para la evaluación, diagnóstico y rediseño de componentes de generadores de vapor buscando utilizar materiales con mejor desempeño a altas temperaturas que los originales. Esto permite evaluar acciones para extender la vida de CT o mejorar su rendimiento.

Una ventaja del gas natural es que sus gases no contienen partículas, ni azufre, además de que el contenido de carbono es menor al del combustóleo, lo cual impacta en menor medida al calentamiento global.

Lo aquí descrito, permitirá utilizar esta tecnología para cubrir las desviaciones a la baja de la generación renovable en forma más amigable, con inversiones reducidas y sin la necesidad de instalar equipos para limpiar los gases de combustión. También permite diferir inversión en generación. Hay que recordar que la mayoría de estas CT al haber cubierto su vida útil, la inversión de las mismas ya está depreciada.

Por otra parte, las centrales de ciclo combinado (CCC), es decir aquellas que combinan los ciclos termodinámicos Brayton y Rankine, se han utilizado en México en forma exhaustiva, desde los inicios de la década pasada, debido a su alta eficiencia (cercana al 60%), a que utilizan un combustible más amigable con el medio ambiente (gas natural), y a que hubo mayor disponibilidad del mismo, a través de la red nacional de gasoductos.

Las CCC constan de una turbina de gas (ciclo Bryton), que quema gas natural, acoplada a un generador eléctrico que produce electricidad. Los gases que emanan de la turbina de gas a altas temperaturas (arriba de 600 °C), se utilizan en un generador de vapor, también llamado recuperador de calor (HRSG por sus siglas en inglés). El vapor producido en el HRSG se envía a una turbina, acoplada a un generador eléctrico, que produce más electricidad. El vapor se condensa y se hace retornar al recuperador de calor mediante diferentes sistemas de bombeo (ciclo Rankine). Por regla general, la turbina de gas produce alrededor del 65% de la energía eléctrica generada en la CCC y 35% en la de vapor.

Muchas de las CCC instaladas en México cuentan con aerocondensadores, los cuales permiten reducir prácticamente a cero el consumo de agua. Esto da la posibilidad de instalarlas en cualquier sitio donde el vital líquido no abunde.

Sistemas de enfriamiento del aire de entrada a la turbina de gas

Enfriar el aire de entrada a la turbina de gas es ventajoso para evitar las diferentes pérdidas de potencia cuando la temperatura ambiente es alta. Además, las técnicas de enfriamiento pueden ser utilizadas para conseguir subidas de potencia para unas condiciones nominales.

Esta tecnología no es totalmente una panacea, ya que su potencia se ve modificada por la temperatura ambiente (disminución de 2.5% por cada 5°C de incremento en la temperatura del aire de admisión). Para reducir este efecto se utilizan sistemas que permitan mantener la temperatura de admisión del aire cercana a la de diseño de las máquinas. Algunos de estos sistemas son:

  Enfriamiento evaporativo

  Enfriamiento por absorción

  Compresión mecánica (enfriador)

  Compresión húmeda

Cabe mencionar que la compresión húmeda también permite incrementar la potencia de una CCC. Para ello se requiere saturar el aire ambiente e incrementar en 1%, respecto a la masa de aire, la masa de agua que se inyecte al compresor.

Otra manera de regular la potencia es inyectando más combustible en el recuperador de calor a la descarga de los gases de la turbina de gas, ya que los gases son ricos en oxígeno. Este proceso se conoce como postcombustión e incrementa la potencia que entrega la turbina de vapor; es la opción menos recomendable para incrementar o regular la potencia.

Una ventaja técnica de las CCC respecto a las CT es que pueden tener arranques en tiempos relativamente cortos. La turbina de gas, por ejemplo, puede estar operando a plena carga en tiempos cercanos a los 20 minutos, cuando el arranque es en caliente.

Con sistemas de generación que utilizan esta tecnología, es también más fácil responder a las variaciones de las redes eléctricas debido a la baja inercia de sus sistemas. Eso sí, deben de contar con sistemas de control muy precisos que regulen la interconexión con la red.

Cabe mencionar que, en las CCC, los sistemas para enfriamiento de admisión de aire pueden instalarse posteriores a la puesta en operación, asimismo, el sistema para postcombustión se debe instalar durante la construcción.

Todas estas características les hacen una excelente alternativa para cubrir las desviaciones a la baja de la generación renovable en forma relativamente amigable y con inversiones reducidas. También permite diferir inversiones en generación.

En el caso de CCC que hayan cumplido su vida útil y su inversión esté depreciada, también es posible repotenciar las mismas. Para ello se deben hacer modificaciones al interior de la máquina de gas, sobre todo de sus partes calientes y revisar el balance de planta para establecer las modificaciones que requiera el ciclo de vapor. El INEEL, por ejemplo, podría aplicar la metodología para la evaluación, diagnóstico y rediseño de componentes de generadores de vapor para determinar cambios en el desempeño de los componentes del HRSG y proponer, en caso necesario, modificaciones a sus componentes. También puede proponer modificaciones necesarias a las CCC mediante el uso de sistemas para que permitan mantener la temperatura de admisión del aire en los turbogeneradores de gas cercana a la de diseño de las máquinas o evaluar el balance de planta de una posible repotenciación.

Existen otras alternativas para operar conjuntamente con sistemas de energía renovable y controlar sus variaciones en la red. Son los conocidos como híbridos. Estos constan de un sistema de generación con gas natural (turbo gas, ciclo combinado), cuya energía generada se puede almacenar en sistemas de baterías (electroquímicas o de flujo). De esta manera se puede suministrar energía a la red, y aquella que no pueda ser recibida, se almacena en el sistema de baterías para ser utilizada cuando se requiera. De esta forma, el sistema de generación a gas operará siempre en su punto de máxima eficiencia. La energía que se almacene en las baterías, será útil para cubrir las variaciones que tengan en su operación los sistemas de energías renovables en general, y de la red eléctrica, en particular. Estos sistemas híbridos pueden ser utilizados para cubrir otros servicios como: regulación de frecuencia, reserva en la operación, ahorro por cargos de demanda, arranque negro, suministro en horas pico, etcétera.

Es cierto que las energías renovables seguirán creciendo en los próximos años para buscar mitigar las emisiones relacionadas con la industria eléctrica mundial. Pero también es cierto que, en nuestro planeta, seguiremos dependiendo durante algún tiempo de los combustibles fósiles, en especial del gas natural para generar la electricidad que requeriremos. En este contexto, México no será la excepción.

En México, el INEEL ofrece soluciones al sector eléctrico relacionadas con aprovechar mejor la infraestructura que existe, buscando reducir las emisiones de CO2 de equipos como los generadores de vapor de CT convencionales utilizando gas natural. Para ello, hay que revisar las condiciones óptimas en las que operarán con este combustible y/o rediseñar algunos de los componentes de los generadores de vapor.

También el INEEL puede apoyar en la repotenciación de ciclos combinados mediante la selección entre diferentes tecnologías que permitan acercar la temperatura del aire de admisión al turbogenerador de gas, a la de diseño de la misma; o mediante estudios que permitan definir las condiciones operativas idóneas de la CCC, al darse una repotenciación de la máquina de gas. Finalmente, puede apoyar a evaluar la pertinencia de la aplicación de sistemas híbridos.

Estas acciones permitirán diferir inversiones, y hacer que efectivamente el gas natural se convierta en el combustible fósil para una transición energética en nuestro país.

Autor:
Manuel Francisco Fernández Montiel, mffm@ineel.mx