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Antecedentes y Consideraciones Técnicas de las Tecnologías con RER Eólicas y Fotovoltáicas en el Perú

Fotografía fuente: Deloitte Autor: Juan Antonio Carraco – Ibérico

El presente capítulo pertenece al artículo: «PROBLEMÁTICA DEL USO EFICIENTE DE LOS RECURSOS ENERGÉTICOS DEL PERÚ Y LAS IMPERFECCIONES DEL MERCADO ELÉCTRICO FRENTE A LA PRESENCIA DE LAS TECNOLOGÍAS CON RECURSOS ENERGÉTICOS RENOVABLES – RER AL AÑO 2017».

Se divide en tres capítulos, el primero revisa los antecedentes las consideraciones técnicas de las tecnologías con RER eólicas y fotovoltaicas; el segundo trata sobre el mercado eléctrico peruano y la participación de las tecnologías con RER; y, por último, el tercer revisa el marco regulatorio, la libre competencia y la política energética peruana.

Por Ursula Ferrari

CAPÍTULO 1: ANTECEDENTES Y CONSIDERACIONES TÉCNICAS DE LAS TECNOLOGÍAS CON RER EÓLICAS Y FOTOVOLTAICAS

1. ANTECEDENTES

LA GENERACIÓN CON ENERGÍAS RENOVABLES EN EL PERÚ A 2017

Las tecnologías de generación eléctrica con RER se clasifican en convencionales, como las grandes hidroeléctricas; y no convencionales como los minihidros (<20 MW), eólicas, fotovoltaicas, solares térmicas, geotérmicas, mareomotrices y de biomasa, siendo estos recursos energéticos gratuitos, limpios e inagotables. Los proyectos con RER no convencionales gozan de una alta aceptación social por el mínimo impacto ambiental que genera su realización y por contribuir al desarrollo sostenible, abren la oportunidad de producción de insumos en general con la etiqueta “verde” (potenciales requisitos para la exportación a países con fuertes compromisos climáticos), desplazan la energía fósil del despacho de generación eléctrica, y reducen las importaciones de energía de otros subsistemas eléctricos.

En 2008, el Estado peruano promulgó el DL N° 1002 con el fin de promover el uso de energías renovables por los compromisos asumidos en el Acuerdo de Promoción Comercial Perú – Estados Unidos para la innovación tecnológica y el fortalecimiento de la gestión ambiental. Consecutivamente se emite el Decreto Supremo N° 012-2011-EM, que publica el Reglamento de la Generación de Electricidad con Energías Renovables. Las condiciones que enfoca esta normatividad son:

  • Energía RER requerida: el Ministerio de Energía y Minas – MEM establece cada cinco años el porcentaje objetivo de participación RER con respecto al consumo nacional. El primer porcentaje es 5%.
  • Subastas: cada dos años el MEM evalúa la necesidad de convocar a una nueva subasta.
  • Tipos de tecnología: el MEM establece las tecnologías para cada subasta.

Las subastas RER fueron llevadas a cabo como alternativa a los altos precios que presentaban estas nuevas tecnologías para el año de su promoción, costos que no podían ser recuperados a través de los precios de mercado. Las subastas RER están orientadas a adjudicar los proyectos que proponen el menor precio por la energía suministrada al Sistema Eléctrico Interconectado Nacional SEIN y sería subsidiada a través de un cargo en la tarifa eléctrica cuando no se pueda cubrir con el valor del costo marginal del mercado spot. Estas definiciones se explicarán más adelante.

Al año 2017 se han realizado cuatro subastas RER conducidas por el Organismo Supervisor de la Inversión en Energía y Minería Osinergmin con los siguientes resultados:

Primera subasta 2009: Para las tecnologías fotovoltaica, eólica y biomasa se adjudicaron proyectos al 68% de la energía requerida: 887 de 1314 GWh/año. Aquí ganaron dos proyectos biomasa, tres eólicos y cuatro fotovoltaicos. La energía minihidro adjudicada fue del 32% de la potencia requerida: 162 de 500 MW. En esta ganaron 17 proyectos minihidro. La tasa de éxito de todos los proyectos fue del 99%. Los proyectos ingresaron en operación comercial entre los años 2008 y 2014.

Segunda subasta 2011: Para las tecnologías fotovoltaica, eólica y biomasa se adjudicaron proyectos al 36% de la energía requerida: 473 de 1300 GWh/año. En esta ocasión ganaron un proyecto biomasa, uno eólico y uno fotovoltaico. La energía minihidro adjudicada fue del 99.8% de la energía requerida: 680 de 681 GWh/año y ganaron siete proyectos minihidro. La tasa de éxito de las fotovoltaicas, eólicas y biomasa fue del 100%, mientras la tasa de éxito de las minihidro fue muy baja: solo dos o tres de los siete adjudicados.

Tercera subasta 2013: Solo se convocó a biomasa y minihidro. La biomasa se adjudicó al 0% de la energía requerida: 0 de 320 GWh/año, porque ninguna empresa presentó ofertas. La energía minihidro adjudicada fue del 98.3% de la energía requerida: 1278 de 1300 GWh/año, y se adjudicaron 19 proyectos minihidro. La tasa de éxito de la minihidro fue muy baja: solo tres minihidro de las 17 ingresaron en operación comercial.

Cuarta subasta 2015: Para las tecnologías fotovoltaica, eólica y biomasa se adjudicaron proyectos al 99.3% de la energía requerida: 1291 de 1300 GWh/año. Esta vez se adjudicaron dos proyectos biomasa, tres eólicos y dos fotovoltaicos. La energía minihidro adjudicada fue del 99.6% de la energía requerida: 448 de 450 GWh/año y se adjudicaron seis proyectos minihidro. La tasa de éxito está por verse.

La evolución de los precios de adjudicación de las cuatro subastas se muestra en el Gráfico N° 1.

Los precios de adjudicación de los RER presentaron una desaceleración considerable con el transcurrir de los años por la mayor inversión en investigación traducida en mejor eficiencia de la tecnología y el abaratamiento de los materiales por economías de escala. En la subaste RER de 2015 comienzan a reflejarse precios de adjudicación cada vez más competitivos que superan a los proyectos hidroeléctricos y térmicos de gas.

Gráfico N° 1: Estadística de precios de las cuatro subastas RER

Gráfico 1

Fuente: Osinergmin – La Industria de la Electricidad en el Perú.

2. MARCO JURÍDICO Y LEGAL DEL SECTOR Y DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES

El marco jurídico legal del sector eléctrico actual, desde la liberalización del mercado eléctrico parte de la publicación de la Ley de Concesiones Eléctricas – LCE en noviembre de 1992. La LCE divide las actividades del sector en generación, transmisión, distribución y comercialización, y enmarca las condiciones para otorgar concesiones y autorizaciones para dichas actividades. Esta ley estableció un régimen de libertad de precios en generación y un sistema de precios regulados en función de los costos eficientes a la transmisión y distribución.

En 1997 se publica la Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos – NTCSE, como complemento de la LCE, para normar los productos entregados y los servicios prestados por las empresas tanto privadas como estatales.

En julio de 2006 se publica la Ley para Asegurar el Desarrollo Eficiente de la Generación Eléctrica, buscando promover licitaciones y contratos a largo plazo para respaldar la inversión en generación a gran escala (hidroeléctricas y térmicas).

El DL N° 1002, Ley de Promoción para Generación de Electricidad con el Uso de Energías Renovables, publicado en mayo de 2008, declara de interés nacional y necesidad pública el desarrollo de generación eléctrica con recursos renovables. El DL N° 1002 establece los tipos de tecnologías a ser reconocidas como RER y garantiza la venta de energía a través de la promoción de las Subastas RER.

La línea de tiempo de normas representativas del sector eléctrico se muestra en el Gráfico N° 2.

Gráfico N° 2: Línea de Tiempo de Normas del Sector Eléctrico

Grafico 2

Fuente: Osinergmin – La Industria de la Electricidad en el Perú.

La evolución de la normativa RER se muestra en el Gráfico N° 3.

La primera reglamentación se dio con el DS N° 050-2008-EM de octubre de 2008, que estableció las primeras condiciones para la ejecución de las subastas RER, procedimientos de cálculo de las primas RER e intención de planes para investigación con RER.

Gráfico N° 3: Evolución del marco jurídico regulatorio de los RER

Grafico 3

Fuente: Osinergmin – Regulación de las Energías Renovables en el Perú.

La segunda reglamentación se da con el DS N° 012-2011-EM en marzo de 2011. La reglamentación determina las condiciones de cálculo de la potencia firme de las diferentes tecnologías con RER y asigna el valor de cero a la potencia firme de la generación eólica y fotovoltaica. Establece, además, algunas modificaciones a las condiciones de cálculo y de pagos de las primas RER y a las condiciones de las subastas.

3. CONSIDERACIONES OPERATIVAS Y TÉCNICAS DE LA GENERACIÓN CON RER

Las tecnologías con RER han tenido un proceso evolutivo intenso. El avance científico y las políticas de los países que apostaron por promocionarlas han permitido que estas tecnologías puedan superar cada vez más sus versiones iniciales. Las características técnicas y económicas, principalmente de las eólicas y fotovoltaicas, han llegado a un alto desarrollo de competitividad que, en la actualidad, han superado a las tecnologías convencionales que no han mostrado las mismas mejoras sustanciales ni efectividad. Como resultado, podemos comparar los precios internacionales en USD/MWh a los que han llegado los proyectos RER de estas dos tecnologías en licitaciones y subastas internacionales hasta el año 2017 en el Gráfico N° 4.

Gráfico N° 4: Precios de la energía en licitaciones reguladas del mundo.

Grafico 4

Fuente: ENEL 2017 – 3° Congreso de Energías Renovables para la Minería e Industria.

En el caso de la generación eólica, con el transcurrir de los años los aerogeneradores se superan en cuanto a producción unitaria de electricidad y sus diseños son cada vez más eficientes y con importantes mejoras para su conectividad. Con las fotovoltaicas, los paneles solares han encontrado mejoras tecnológicas en calidad de los materiales y precios. La amplia difusión mundial ha permitido abaratar sus costos por economías de escala.

Otras nuevas tecnologías, como la generación solar térmica, la mareomotriz, geotermia y de biomasa, no han tenido aún un fuerte desarrollo y avance consolidado a nivel mundial. Se espera que más países inviertan en estudios e investigación a mediano y largo plazo. Una matriz energética diferenciada y diversificada que desplace a los combustibles fósiles es una necesidad primaria de la humanidad.

Estas eficiencias de precios y de tecnología no son aprovechadas aún por el Estado peruano de forma óptima. Los precios internacionales de proyectos RER de eólicas y fotovoltaicas reflejan la no necesidad de continuar con su subsidio y de participar activamente en los mercados del segmento de generación sin restricciones. Para ello, las tecnologías con RER necesitan de los mecanismos y cambios necesarios en los marcos legales y regulatorios que rigen el mercado para permitirles transferir sus beneficios y ventajas a los usuarios finales.

El artículo se enfocará en el desarrollo de los dos tipos de energías renovables líderes en el mercado de proyectos: las eólicas y las fotovoltaicas. Esto debido a las duras barreras de entrada que han encontrado para comercializar, en libre competencia en el segmento de generación, en el mercado eléctrico peruano.

4. IMPACTO DE LAS EÓLICAS Y FOTOVOLTAICAS EN LAS REDES ELÉCTRICAS

Son diferentes los impactos de la conexión de los generadores eólicos y fotovoltaicos a los Sistemas Eléctricos de Potencia – SEP. Ávila y Rudnick identificaron once casos de análisis ante una situación de alta penetración de las eólicas: intermitencia del recurso y seguimiento de la demanda, regulación de frecuencia, reserva y despacho, desconexión por vientos fuertes, cambios repentinos de velocidad del viento, capacidad de transmisión en áreas con viento explotable, monitoreo y control, regulación de voltaje, impacto en redes de distribución, potencia reactiva y estabilidad transiente. Haremos un resumen de los principales casos expuestos por Ávila y añadiremos el impacto de las fotovoltaicas. Luego se propondrán potenciales alternativas de solución. [7]

– LA VARIABILIDAD DEL RECURSO RENOVABLE Y LA REGULACIÓN DE FRECUENCIA

La generación con RER es bastante estable y predecible en diferentes periodos de análisis a mediano y largo plazo. La generación eólica puede presentar variaciones significativas en periodos de análisis muy cortos como los periodos horarios según las velocidades estocásticas de los vientos. La energía fotovoltaica, sin embargo, tiene una tendencia muy predecible diaria y depende de la disponibilidad de la radiación solar.

En los SEP, la operación del despacho de centrales requiere del ajuste de la generación en tiempo real para atender la demanda y mantener la frecuencia dentro del rango de la norma técnica. La generación eólica, por su naturaleza estocástica, requiere de suficiente regulación secundaria de generación convencional para su operación fiable. La Regulación secundaria: es la capacidad del SEP de tener generación disponible para atender cambios súbitos de demanda y que responde a partir de los 20 segundos del llamado, normalmente entregada por generación convencional. La entrega de energía solar, sin embargo, es mejorada, con respecto a la eólica, porque sus tomas y bajadas de carga son predecibles durante el día.

Una mayor penetración de eólicas y solares abre la necesidad y oportunidad de fortalecer el mercado de los servicios complementarios (capacidad de potencia, regulación primaria, secundaria, reserva) para garantizar la seguridad del suministro. Actualmente es posible el control de potencia activa en respuesta a las órdenes del operador de sistema en las turbinas eólicas. Ávila explica que esto se logra técnicamente mediante el manejo de velocidad de giro de las aspas, cambio de cargas y manejo de la electrónica de potencia. A medida que aumenta la penetración eólica en los sistemas, estas nuevas capacidades de control le otorgan al operador otras herramientas para la regulación de frecuencia y operar los sistemas de forma óptima.

En el caso de excedentes de generación eólica y/o solar en situación de bloques de menor demanda, la alternativa es transmitir, a los grandes consumidores, las señales de mercado necesarias para fomentar el aumento de su producción aprovechando la energía en el momento en que está disponible y a bajo precio. Otra opción válida es el almacenamiento de energía: los bancos de baterías son una alternativa, por el momento costosa, pero admisible. Actualmente hay mucho avance e investigación para mejorar y disminuir dichos costos. Adicionalmente es posible utilizar esta energía renovable “extra” subiendo agua a embalses hidroeléctricos (sistemas de bombeo) para poder utilizarla posteriormente.

– RESERVA Y DESPACHO

La reserva de generación está conformada por las plantas generadoras que pueden conectarse y generar rápidamente o aumentar su generación, estando ya conectadas ante un aumento en la demanda proyectada o bien ante pérdida o falla de algún generador.

Las centrales eólicas y solares, al depender del viento y la radiación solar, no pueden dar reserva. Su despacho está disponible como centrales de pasada y su presencia debe pertenecer a una operación mixta de tecnologías.

– VELOCIDAD DE VIENTOS VARIABLE Y DESCONEXIÓN DE GENERACIÓN

Ante velocidades muy altas que pongan en riesgo la infraestructura eólica, las turbinas tienen capacidad para desconectarse del SEP. Ávila explica, según la experiencia internacional, que no todas las turbinas de una planta eólica se desconectan simultáneamente ante vientos de alta velocidad. Las turbinas que se encuentran enfrentadas directamente al viento (primera línea de oposición al viento) o expuestas a mayores velocidades y turbulencias, debido a la irregularidad del terreno en donde se encuentran, son las primeras en desconectarse, dejando otras en funcionamiento pues enfrentan vientos menores. Es infrecuente la desconexión de una planta eólica completa por vientos fuertes y debido a la dispersión geográfica de las turbinas en el territorio una pérdida general de generación eólica es un evento de baja probabilidad de ocurrencia.

Los centros de control operan con los suficientes márgenes de reserva para la desconexión de una unidad de generación de potencia considerable en el SEP, normalmente la unidad más grande del sistema, por tanto, este impacto es totalmente controlable.

Adicionalmente, y para mantener la seguridad del sistema, los operadores deben contar con todas las herramientas de control necesarias, incluyendo los mecanismos que permitían disminuir la generación de las eólicas y solares de ser necesario. Los sistemas SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) existentes deben tener la capacidad de procesar un mayor volumen de mediciones a tiempo real. Ante la situación de una mayor expansión del número de parques eólicos y solares, mayores serán los requerimientos de infraestructuras de comunicación extendidas.  Ávila menciona, como alternativa, la implementación de centros locales de control descentralizados para reducir el procesamiento de datos a llevar por el centro de control central, estos centros locales son comunes en Europa. De este modo se mejora, además, la gestión de los sistemas de comunicación.

– LA CAPACIDAD DE TRANSMISIÓN

Contar con una participación alta de las energías eólicas y fotovoltaicas en el sistema, deberá ir en paralelo con la correspondiente expansión de la infraestructura de transmisión. Varios de los proyectos con RER se encuentran en localizaciones distantes a las redes eléctricas y/o a los centros de demanda. En diversos casos, los proyectos con RER entran con infraestructura de transmisión.

– EL APORTE DE REACTIVOS AL SISTEMA Y LA REGULACIÓN DE VOLTAJE

La generación eólica tiene un uso intensivo de motores asíncronos que requieren de potencia reactiva para el arranque de las unidades. Si el SEP no es capaz de suministrar esta potencia reactiva, puede ocurrir una inestabilidad de tensión e incluso el colapso del sistema. Ante esta situación, la alternativa técnica es un control de reactivos adecuadamente dimensionado y suficiente, además de reservas de potencia activa para manejar y mantener la estabilidad del voltaje. Esto puede ser entregado con las modernas turbinas de viento con control activo de voltaje y reactivos, o bien mediante el uso de compensadores externos como bancos de capacitores, SVC o STATCOM.

Ávila menciona que la regulación de voltaje es crucial para las plantas eólicas conectadas en redes de alta tensión o media tensión. Actualmente, las turbinas eólicas modernas, especialmente las conectadas a la red a través de convertidores (inversores, rectificadores u otros), ofrecen bondades para la regulación de voltaje y pueden incluso proveer regulación de voltaje a la red como un servicio complementario.

La regulación de voltaje es una condición que debe estar controlada para la correcta operación de un sistema, especialmente para las eólicas que usan generadores asíncronos. Capacitores conectados mediante interruptores son comúnmente usados para regular el voltaje. En casos extremos, como plantas eólicas en el mar o conexiones de larga distancia, se recomienda el uso de equipos dinámicos como los SVC.

– LA ESTABILIDAD Y FORTALEZA DE LA RED

Un SEP se mantiene estable en la medida que sus máquinas son capaces de mantenerse en sincronismo. Una buena inercia de los SEP es la capacidad del sistema de permanecer íntegro a pesar de una falla por la desconexión de algún generador o por una brusca desconexión de carga; se puede describir como una medida de la fortaleza del sistema y depende de la cantidad de generadores síncronos directamente conectados a la red. El uso comercialmente generalizado de generadores asíncronos para la generación eólica hace que estas no participen en aumentar la inercia de los SEP. Solo en el caso que la penetración de eólicas y fotovoltaicas sea tan alta en un SEP, que superase a la tecnología convencional, la salida de servicio de alguna planta generadora podría provocar una fuerte y rápida caída de la frecuencia. Por esta razón, estas tecnologías RER deben operar como parte de un mix de tecnologías suficiente para garantizar la seguridad del sistema.

Las turbinas eólicas modernas pueden controlar la entrega de la potencia activa como reactiva al SEP, en algunos casos mejor y más rápido que las unidades convencionales; además, las turbinas eólicas no provocan oscilaciones transitorias (cambios bruscos e intempestivos en la red) en la estabilidad. Ávila concluye que la habilidad de las turbinas eólicas modernas de apoyo activo al sistema de potencia durante perturbaciones en la red está siendo, actualmente, estudiada.

– IMPACTO DE LA GENERACIÓN CON RER EN EL SEIN

Los casos de análisis de Ávila y Rudnick se estudiaron en un contexto de alta penetración de las energías eólicas a un SEP o de una operación a gran escala. Los autores hacen mención que este caso no se ha dado para el caso del sistema eléctrico de Chile, cuya penetración era baja para el año de estudio. Actualmente, en el Perú, la participación de las generadoras RER, que incluye a la generación eólica, no alcanza ni el 4% de participación en la matriz energética, ni en el despacho en tiempo real. Es observable y demostrable que el impacto y la variabilidad del recurso de la generación con RER en el Perú y en el SEIN en estas condiciones son simplemente despreciables.

Para realizar las subastas RER, el Comité de la Operación Económica del Sistema COES tiene el primer encargo de determinar la máxima capacidad de generación no convencional (eólica y fotovoltaica) a ser instalada en el SEIN dentro de los límites de seguridad de la operación y la calidad del servicio.

CONCLUSIONES

Se puede concluir:

  • El servicio complementario de remuneración por capacidad de potencia en el mercado mayorista peruano debe ser lo suficientemente promotor para el incentivo de inversión y garantizar los márgenes de reserva que necesita el SEIN para operar con confiablidad.
  • Bajo una restructuración de la remuneración de capacidad por potencia que permita recuperar los costos y ganancias de los inversores, las transacciones de energía en el mercado mayorista deben estar totalmente liberalizadas de la definición de Potencia Firme.
  • Desincentivar el ingreso de los RER en el Perú justificando los impactos de estas tecnologías en el SEIN en situaciones de alta penetración resulta injustificable al 2018 por dos razones: por la ínfima participación de la penetración actual del SEIN: 4%. Segundo porque ante estos impactos hay soluciones eficientes y alternativas versátiles que pondrán siempre a los RER como la mejor de las opciones técnica como económica. Es obligación del Estado evaluar y cuantificar las alternativas.
  • Los precios competitivos de las tecnologías RER muestran la necesidad de no mantenerlas subsidiadas y de flexibilizar las condiciones restrictivas del mercado para su participación sin discriminación en un mercado de libre competencia.

BIBLIOGRAFÍA

[1] Memoria Anual COES SINAC, 2016 y 2017.

[2] Estadísticas de Operaciones COES SINAC, 2016.

[3] Decreto Legislativo N° 1002, Ley de Promoción para Generación de Electricidad con el Uso de Energías Renovables”.

[4] Decreto Supremos N° 050-2008-EM, Primera reglamentación RER.

[5] Decreto Supremo N° 012-2011-EM, Segunda reglamentación RER.

[6] Deloitte. “Estudio Macroeconómico del Impacto del Sector Eólico en España” para Asociación Empresarial Eólica, setiembre 2011.

[7] Ávila, H. Rudnik. “Integración de la Energía Eólica a Gran Escala en los Sistemas Interconectados”. Pontificia Universidad Católica de Chile, mayo 2010.

Úrsula Ferrari es ingeniera electricista de la UNI, PMP, Maestra en Dirección de Proyectos. Actualmente se desempeña como Responsable de Desarrollo de Negocios en Grenergy Renovables.

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