Planta de energía de pico

Las centrales eléctricas de pico , también conocidas como centrales de pico y, ocasionalmente, simplemente "centrales de pico", son centrales eléctricas que generalmente funcionan solo cuando hay una gran demanda, conocida como demanda pico , de electricidad . ^[1] Debido a que suministran energía solo ocasionalmente, la energía suministrada tiene un precio mucho más alto por kilovatio hora que la energía de carga base . Las centrales eléctricas de carga pico se despachan en combinación con las centrales eléctricas de carga base , ^{[ cita requerida ]} que suministran una cantidad confiable y constante de electricidad, para satisfacer la demanda mínima.

Aunque históricamente las centrales eléctricas de punta se utilizaban frecuentemente junto con las centrales de carbón de carga base, ahora se utilizan con menos frecuencia. Las centrales de turbina de gas de ciclo combinado tienen dos o más ciclos, el primero de los cuales es muy similar a una central de punta, y el segundo funciona con el calor residual del primero. Ese tipo de central suele ser capaz de arrancar rápidamente, aunque con una eficiencia reducida, y luego, en unas horas, pasar a un modo de generación de carga base más eficiente. Las centrales de ciclo combinado tienen un coste de capital por vatio similar al de las centrales de punta, pero funcionan durante períodos mucho más largos y consumen menos combustible en general, por lo que proporcionan electricidad más barata.

A partir de 2020, las turbinas de gas de ciclo abierto generan un costo de electricidad de alrededor de $151–198/MWh. ^[2]

En algunos lugares, las plantas de energía de pico han sido reemplazadas por almacenamiento en baterías . ^[3] La Autoridad de Energía de Nueva York (NYPA) está buscando reemplazar las plantas de gas de pico por almacenamiento en baterías, ^{[4] [5]} 142 Tesla Megapacks (que proporcionan 100 MW) reemplazaron una planta de gas de pico en el condado de Ventura , California ^{[6] [7]} y en Lessines , Bélgica, 40 Tesla Megapacks (50 MW) reemplazaron un generador de turborreactor. ^[8] El Consejo de Energía Limpia de Australia descubrió en abril de 2021 que el almacenamiento en baterías puede ser un 30% más barato que las plantas de gas de pico. ^[9]

Las horas punta suelen producirse por la mañana o a última hora de la tarde/noche, según la ubicación. En los climas templados, las horas punta suelen producirse cuando los electrodomésticos se utilizan intensamente por la noche después del horario laboral. En los climas cálidos, el pico suele producirse a última hora de la tarde, cuando la carga del aire acondicionado es alta; durante este tiempo, muchos lugares de trabajo siguen abiertos y consumiendo energía. En los climas fríos, el pico se produce por la mañana, cuando se ponen en marcha tanto la calefacción como la industria. ^[10]

Una planta de energía de pico puede funcionar muchas horas al día, o puede funcionar solo unas pocas horas al año, dependiendo de la condición de la red eléctrica de la región . Debido al costo de construir una planta de energía eficiente, si una planta de energía de pico solo va a funcionar durante un tiempo corto o muy variable, no tiene sentido económico hacerla tan eficiente como una planta de energía de carga base. Además, el equipo y los combustibles utilizados en las plantas de carga base a menudo no son adecuados para su uso en plantas de pico porque las condiciones fluctuantes sobrecargarían gravemente el equipo. Por estas razones, la energía nuclear , la conversión de residuos en energía , el carbón y la biomasa rara vez, o nunca, se utilizan como plantas de pico.

A medida que los países abandonan las plantas de carga base alimentadas con combustibles fósiles y optan por fuentes de energía renovables pero intermitentes , como la eólica y la solar, aumenta la necesidad de sistemas de almacenamiento de energía en la red , como alternativas renovables a la construcción de más plantas de energía para satisfacer las necesidades de demanda máxima o de seguimiento de la demanda. Otra opción es una distribución más amplia de la capacidad de generación, mediante el uso de interconexiones a la red, como las rutas de interconexión del WECC .

Las plantas de generación de pico son generalmente turbinas de gas o motores de gas que queman gas natural . Unas pocas queman biogás o líquidos derivados del petróleo , como el gasóleo y el combustible para aviones , pero estos suelen ser más caros que el gas natural, por lo que su uso se limita a las zonas que no cuentan con suministro de gas natural. Además del gas natural, muchas plantas de generación de pico pueden utilizar petróleo como combustible de reserva, almacenándolo en tanques en el lugar. La eficiencia termodinámica de las plantas de energía de turbina de gas de ciclo simple varía entre el 20 y el 42%, siendo entre el 30 y el 42% el promedio para una planta nueva.

Para lograr una mayor eficiencia, se añade un generador de vapor con recuperación de calor (HRSG) en el escape. Esto se conoce como planta de ciclo combinado . La cogeneración utiliza el calor residual del escape para procesos, calefacción urbana u otros usos de calefacción. Ambas opciones se utilizan solo en plantas que están destinadas a funcionar durante períodos más largos de lo habitual. A veces se utilizan generadores de gas natural y diésel con motores alternativos para apoyar la red utilizando plantas más pequeñas.

Otra opción para aumentar la eficiencia y la potencia de salida de las turbinas de gas es instalar un sistema de refrigeración del aire de entrada a la turbina , que enfría la temperatura del aire de entrada aumentando la relación de flujo másico. Esta opción, en combinación con un tanque de almacenamiento de energía térmica , puede aumentar la potencia de salida de la turbina en períodos de máxima demanda hasta en un 30 %. ^[11]

Las represas hidroeléctricas son intencionalmente variables. Pueden generar menos durante las horas valle y responder rápidamente a las demandas pico, por lo que la hidroelectricidad puede funcionar como una planta de seguimiento de carga o de demanda máxima y, con suficiente agua, como una planta de carga base. Las turbinas de gas natural o el almacenamiento por bombeo se utilizan a menudo cuando no hay suficiente hidroelectricidad para responder a las variaciones diarias y semanales en la generación y el consumo. ^[13]

No es raro que se construya una presa con una capacidad mayor que la que puede soportar el suministro de agua, lo que permite una mayor producción máxima. La modernización de los equipos de las presas existentes puede ser una de las formas menos costosas de aumentar la generación máxima. ^[14] La capacidad de variar la cantidad de electricidad generada suele estar limitada por el requisito de que se cumplan los caudales mínimos o máximos aguas abajo. ^[15]

La energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo es la forma de almacenamiento de energía de red de mayor capacidad disponible, y se utiliza para promediar las demandas eléctricas en horas punta y fuera de horas pico. El sitio almacena energía utilizando el potencial gravitacional del agua almacenada en un depósito. La energía eléctrica de bajo costo fuera de horas pico proveniente de la carga base o de fuentes intermitentes se utiliza para bombear agua a baja altura hasta su almacenamiento en un depósito de gran altura. Durante los períodos de alta demanda eléctrica, el agua almacenada se libera a través de turbinas para producir energía eléctrica. Los tiempos de arranque son de solo unos minutos, y algunas pueden comenzar en unas pocas decenas de segundos. ^[16]

Las baterías se utilizan en algunos casos en los que las condiciones lo favorecen para suavizar el flujo, evitando una costosa actualización de la línea eléctrica, así como para suministrar potencia máxima ^{[17] [18]} y otros servicios de la red ^[19] como reserva operativa , a veces en configuración híbrida con turbinas ^[20] o motores diésel. La energía de la batería es, con mucho, la que responde más rápido de todas las centrales eléctricas y puede responder a las condiciones de la red en escalas de tiempo de milisegundos, lo que da a los equipos de respuesta más lenta la oportunidad de reaccionar a los cortes.

Los sistemas de almacenamiento por bombeo y las baterías son consumidores netos, ya que no tienen una fuente de energía inherente y la conversión entre electricidad y almacenamiento y viceversa genera algunas pérdidas.

Las plantas de energía solar térmica de pico se propusieron en 2017, en virtud de un premio del Departamento de Tecnología Energética de EE. UU. 2 Market ^{[21] a Hank Price de SolarDynamics, cuyo artículo "Planta de energía solar despachable" [22]} propuso utilizar el almacenamiento de energía térmica inherente a una planta de energía solar térmica , que permite que esta forma de energía solar basada en calor genere como un pico de gas, para suministrar energía a demanda de día o de noche y, a cambio, ser controlada por la empresa de servicios públicos y pagar pagos por capacidad para estar disponible cuando sea necesario, como una planta de pico tradicional. Una planta de energía solar térmica produce electricidad en una planta de energía de ciclo de vapor como una planta de energía tradicional, pero el calor para el vapor es suministrado por energía solar que calienta un material como sales fundidas y almacena el calor hasta que se necesita para producir vapor para la generación de energía.

Un sistema de suministro eléctrico económico también incluirá plantas de energía de carga base . Estas unidades generadoras enfatizarán el bajo costo incremental del combustible, pero pueden utilizar una mayor inversión de capital para mejorar la eficiencia. Por ejemplo, una planta de pico podría utilizar solo una turbina de gas, mientras que una planta de carga base también podría agregar un "ciclo inferior" de vapor para mejorar el consumo general de combustible de la planta por unidad de electricidad producida. Las plantas nucleares y de combustión de carbón generalmente operan de manera continua, deteniéndose solo para mantenimiento o cortes inesperados. ^[23]

El bajo costo incremental del combustible de las centrales nucleares en comparación con el alto costo de capital hace que sea más económico utilizarlas para el suministro de carga base. Las plantas hidroeléctricas con pocas restricciones en el suministro de agua pueden utilizarse para la carga base, ya que su costo incremental del combustible es cero. Dado que una central eléctrica de ciclo de vapor puede tardar horas en pasar del modo de espera en frío al de máxima capacidad, no suelen utilizarse para proporcionar servicio de carga máxima. ^[24]

Las centrales eléctricas de carga intermedia , como las hidroeléctricas, operan entre estos extremos, lo que reduce su producción durante las noches y los fines de semana, cuando la demanda es baja. Las centrales de carga base e intermedias se utilizan preferentemente para satisfacer la demanda eléctrica porque la menor eficiencia de las centrales de pico hace que su funcionamiento sea más costoso. ^[25]

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