Al comienzo de este nuevo siglo, las regulaciones ambientales y la economía del libre mercado se están convirtiendo en los impulsores clave para la industria de generación de electricidad. Con la creciente demanda mundial de energía y el grave problema del calentamiento global debido a las emisiones de gases de efecto invernadero, uno de los principales temas de investigación y desarrollo en el campo de la generación de electricidad es mejorar la eficiencia de las centrales termoeléctricas y, al mismo tiempo, reducir las emisiones contaminantes. Se han desarrollado diferentes opciones para transformar las antiguas centrales termoeléctricas (CT), con el objetivo de mejorar su eficiencia e incrementar su capacidad de generación. Una alternativa atractiva que vale la pena examinar para cumplir con los objetivos mencionados es la repotenciación, la cual es un medio para aumentar la productividad de la central, extender el uso de las inversiones en infraestructura existentes y utilizar áreas de recursos de alto valor de manera más eficiente.

Una CT es una instalación que genera energía eléctrica a partir de la combustión del gas natural, combustóleo o carbón; dicha combustión transforma el agua en el vapor que mueve a la turbina y al generador eléctrico.

La repotenciación se define, en términos generales, como una adición o reemplazo del equipo existente de la CT, conservando los componentes para incrementar la capacidad de generación, beneficiar la economía de la generación, extender la vida útil, mejorar el desempeño ambiental, la operatividad y el mantenimiento, y utilizar de manera más efectiva un sitio existente.

Además de la repotenciación, también existen las opciones de rehabilitar o modernizar una CT; las tres actividades están interrelacionadas. La repotenciación se elige cuando, debido al deterioro de los equipos, los costos de operación y mantenimiento, o los tiempos de parada, se han incrementado sustancialmente, y se ha reducido la capacidad disponible y/o la energía generada.

Las reglas operativas para los mercados de electricidad están cambiando al mismo tiempo que las CT están siendo sometidas a restricciones ambientales más fuertes, una enorme competencia y reglas de libre mercado. Esto obliga a los propietarios a evaluar las consecuencias y posibles soluciones del deterioro debido al envejecimiento de sus centrales. Debe considerarse que la vida útil de una CT es de entre 30 a 35 años; por ejemplo, en México las CT convencionales, a excepción de la CT de Tuxpan, ya alcanzaron su vida útil. La repotenciación debe realizarse de manera oportuna para evitar el retiro prematuro de las centrales.

Consecuencias del envejecimiento de las CT

  Disminución de la eficiencia.

  Desgaste irrecuperable de componentes.

  Disminución de la confiabilidad y disponibilidad.

  Fallas y paros forzados constantes.

  Aumento de los costos de mantenimiento.

  Menor rentabilidad operativa.

  Problemas de impacto ambiental.

  Incremento de los niveles de emisión de gases de efecto invernadero.

Soluciones

  Retirar la central y construir una nueva.

  Repotenciar las centrales viejas existentes.

Criterios para considerar la repotenciación

  Necesidad de incrementar la capacidad de la central.

  Capacidad de la red para despacho extra de potencia.

  Ganar ventajas competitivas con una mayor eficiencia.

  Disponibilidad de espacio en el sitio existente para el nuevo equipo.

  Condiciones adecuadas del equipo existente.

  Disponibilidad de combustible con costos adecuados en el corto, mediano y largo plazo.

  Necesidad de reducir las emisiones contaminantes.

Beneficios de la repotenciación

  Reducción del consumo de combustible.

  Reducción de los costos de operación y mantenimiento.

  Reducción de emisiones contaminantes y otras descargas.

Muchas de las CT actualmente en servicio tienen más de 30 años en operación, han excedido su vida útil, son ineficientes, con altos costos de operación y de mantenimiento, además de ser muy contaminantes. En estos casos, y cuando así convenga para operar competitivamente en el mercado eléctrico, se debe pensar en una repotenciación para mejorar la eficiencia, incrementar la capacidad y disminuir las emisiones contaminantes.

Existen diferentes esquemas para la repotenciación de las CT, uno de los más comunes es integrar una o varias turbinas de gas (TG) y un generador de vapor recuperador de calor (GVRC), convirtiendo la CT a una central de ciclo combinado (CCC). También se puede considerar la energía renovable, integrando a la CT existente una central térmica solar. Las celdas de combustible de alta temperatura, como la celda de combustible de óxido sólido, también se podrían usar como un ciclo de cobertura.

Principales opciones de repotenciación de la CT

  Repotenciación de la caldera existente.

  Repotenciación de los calentadores de agua de alimentación.

  Conversión a CCC total (integración de TG, integración de GVRC y turbina de vapor (TV) existente).

  Conversión a CCC híbrido (integración de TG, integración de GVRC, TV existente y caldera existente).

  Hibridación solar (integración de una central térmica solar al ciclo Rankine existente).

  Integración de celdas de combustible.

  Repotenciación del turbogenerador.

En la tabla 1 se muestra el incremento de la potencia de salida y de la eficiencia para diferentes esquemas de repotenciación.

Sin importar el esquema de repotenciación seleccionado, también se deben considerar los parámetros técnicos, económicos y ambientales fundamentales que incluyen: el equilibrio térmico de la central, los límites técnicos de los equipos antiguos, los costos de inversión, los costos de operación y mantenimiento, la flexibilidad operativa y las emisiones de efluentes generados por la central térmica repotenciada.

	Repotenciación de caldera	Repotenciación de calentadores de agua	Repotenciación híbrida	Repotenciación de CCC total
Incremento de potencia	< 50%	< 25%	< 50%	< 50%
Incremento de eficiencia	< 20%	< 10%	> 40%	> 50%

Tabla 1. Incremento de potencia y de eficiencia en diferentes esquemas de repotenciación.

Con el objetivo de hacer competitivo el parque de generación existente, en 2004 entró en operación la primera repotenciación de unidades termoeléctricas para formar ciclos combinados, específicamente en la CT de Valle de México unidad 4 de 300 MW, a la cual se acoplaron las nuevas unidades turbogás (TG) 5, 6 y 7 de 83.1 MW cada una.

En 2005 se realizó la conversión de unidades turbogás a CCC, con la unidad 1 (TG) de Hermosillo de 133.8 MW, y la nueva unidad 2 (TV) de 93.2 MW, para un total de 227.0 MW.

En 2006 entró en operación comercial en la central Chihuahua ?El Encino? la conversión de la unidad 4 (TG) de 130.8 MW a CCC, mediante la integración de la unidad 5 (TV) de 65.3 MW, formándose el paquete 2, con una capacidad total de 196.1 MW.

De manera similar, en 2007, con la conversión de la unidad TG instalada en Río Bravo (145.1 MW), a la que se integraron las existentes 1 y 2 (TV de 33 MW cada una), se formó la CCC con una capacidad total de 211.1 MW.

Con la conversión de las dos unidades TG de San Lorenzo (2 X 133 MW), a las cuales se les integró una TV de 116.12 MW, en 2009 se agregaron 382.12 MW en este tipo de centrales.

En la CT Poza Rica (unidades 1 a 3) está en proceso la conversión a CCC, a fin de obtener un aumento de 16.8% en su eficiencia. Adicionalmente, se modernizará la CCC El Sauz paquete 1, con un incremento de 9.4% en eficiencia.

La CT Altamira U1 y U2 se convertirá a lecho fluidizado y se obtendrán incrementos en la eficiencia de 2.95 y 2.86%, y aumento de capacidad en 8 MW para las U1 y U2, respectivamente. Utilizará coque de petróleo proveniente del sur de Estados Unidos o de la refinería Minatitlán, lo que disminuirá sus costos de producción.

La CT José López Portillo unidades 1 a 4 se someterá a rehabilitación; con ello se incrementará su capacidad en 30 MW en cada unidad y mejorará su eficiencia entre 2.9 a 4%, y su disponibilidad entre 3.6 a 7.5%.

Como parte de las opciones para incrementar eficiencia y capacidad del parque de generación existente, la CFE continúa analizando la posibilidad de repotenciar unidades termoeléctricas con base en combustóleo a CCC, entre las que se encuentran:

  CT Adolfo López Mateos. Tuxpan, de 2 100 MW actuales para llegar de 5 400 MW a 6 000 MW.

  CT Francisco Pérez Ríos. Tula, de 1 600 MW actuales para llegar de 4 000 MW a 4 500 MW.

  CT Villa de Reyes. SLP, de 700 MW actuales para llegar de 1 700 MW a 2 000 MW.

  CT Guadalupe Victoria. Lerdo, de 320 MW actuales para llegar de 800 MW a 900 MW.

  CT Samalayuca. De 320 MW actuales para llegar de 800 MW a 900 MW.

  CT Francisco Villa. Delicias, de 300 MW actuales para llegar de 759 MW a 850 MW.

Como se mencionó anteriormente, la primera central repotenciada en México fue la CT Valle de México. Esta repotenciación fue de gran importancia ya que Valle de México es la primera CCC en México, donde el diseño permite operar la unidad en modo de ciclo combinado puro o híbrido.

En la tabla 2 se muestran los incrementos logrados con la repotenciación de la Unidad 4 de la CT Valle de México en los diferentes modos de operación a carga total.

	Capacidad (MW)	Eficiencia (%)	Incremento potencia (%)	Incremento eficiencia (%)
Original	300	36.8	-	-
Híbrida	550	43.8	83	19
CCC total	372	48.2	24	31

Tabla 2. Incrementos con la repotenciación en la Unidad 4 de la CT Valle de México.

El INEEL tiene amplia experiencia en diferentes áreas para apoyar en trabajos de rehabilitación, modernización y repotenciación de CT, pues desde hace muchos años ha realizado numerosos proyectos al respecto, por ejemplo:

  Rehabilitación y extensión de la vida útil de una carcasa de alta presión de la turbina de vapor de 75 MW de la CT Presidente Juárez, Rosarito, B.C.

  Rehabilitación de generadores eléctricos.

  Rehabilitación y extensión de vida útil de componentes de turbomáquinas.

  Modernización del subsistema de Interfaz Hombre-Máquina para operación de la CCC de Gómez Palacio.

  Inspección borosónica y estimación de vida remanente de rotores de turbinas de vapor.

  Evaluación de vida útil de rotores de turbinas de vapor.

  Estudios de factibilidad para la conversión o repotenciación de unidades termoeléctricas convencionales.

Con el gran número de CT que están llegando al término de su vida útil en todo el mundo, la repotenciación representa una opción atractiva para incrementar la capacidad de generación, mejorar la economía de la generación, extender la vida útil, y mejorar tanto el desempeño ambiental como la operatividad y el mantenimiento; en comparación con la construcción de una nueva central, además, se reducen las emisiones contaminantes, se aprovecha mejor un sitio existente y se disminuye el tiempo requerido para desarrollar un proyecto eléctrico.

Autor:
Samuel Salinas Sánchez, ssalinas@ineel.mx
Revisión:
Manuel Francisco Fernández Montiel, mffm@ineel.mx