Generación eólica y solar fotovoltaica: ¿Qué tan variables son?

LOS SISTEMAS de potencia convencionales se diseñan para soportar y acomodar a las fluctuaciones de la demanda, la disponibilidad de agua variable y las fallas de unidades generadores. Sin embargo, la variabilidad de la disponibilidad de energía aumentará considerablemente a medida que aumenten las penetraciones de la generación fotovoltaica y eólica. Para mantener la suficiencia y seguridad las centrales termoeléctricas deberán respaldar a la generación intermitente.

En esta Breve, la primera de una serie de tres, analizo y cuantifico qué tan variable es la generación solar fotovoltaica y eólica en Chile mediante la distribución estadística de sus factores de planta horarios dentro de las 8.760 horas del año y los perfiles de generación diarios. Para comparar, también muestro la variabilidad de la generación hidroeléctrica de pasada. En futuras Breves argumentaré que la variabilidad aumenta el costo de operación del sistema y modifica su planificación óptima.

El factor de planta de una central es la razón entre la energía que produce y la energía que podría producir operando continuamente a máxima capacidad durante un determinado periodo de tiempo, por ejemplo, una hora, un día, una semana, un mes o un año.

El factor de planta anual más alto es de las centrales termoeléctricas, alrededor de 90%. La disponibilidad de una planta térmica depende casi exclusivamente de las mantenciones y salidas forzadas, porque permanentemente disponen de combustible para generar. Otras tecnologías como la geotermia o la biomasa, que también consisten de ciclos térmicos, logran factores mayores que 80%. En cambio, el factor de planta de las centrales hidroeléctricas de embalse y de pasada depende del agua disponible. En años muy secos, es del orden de un 30% y en años húmedos de hasta un 60%, aunque aumenta en el sur y se empina hasta 80% en Aysén.

El factor de planta de las centrales solares fotovoltaicas (FV) se puede medir en corriente alterna (AC) o en corriente directa (DC). Si la energía generada en AC es comparada con la capacidad de la planta en DC (la forma en que se obtiene la energía de los paneles fotovoltaico), entonces se trata de un factor de planta DC. Por el contrario, si se descuentan las pérdidas por transformación y se compara contra la capacidad en corriente alterna, entonces se trata de un factor de planta AC.

El factor de planta AC de un parque solar fotovoltaico no puede ser mayor que 50% porque en la noche el sol desaparece. Además, el factor de planta varía con la ubicación geográfica del parque. En lugares con alta radiación y con paneles que siguen al sol se pueden alcanzar factores de planta AC anuales del orden de 30%. En cambio, un parque solar con paneles fijos alcanza factores de planta anuales del orden del 24%. En el mundo, los factores de planta suelen ser más bajos. Por ejemplo, el factor de planta promedio mundial de la centrales solares FV fue 11% en 2014. En los Estados Unidos el promedio fue 20% entre el 2008 y 2013.

Las turbinas eólicas modernas generan a capacidad máxima cuando el viento alcanza velocidades entre 12 m/seg (viento moderado) y 25 m/seg (un temporal). Sin embargo, incluso en las mejores ubicaciones, la velocidad del viento es menor que 12 m/seg durante la mayor parte del tiempo. Esto reduce el factor de planta anual. Por ejemplo, el factor de planta de los parques eólicos del SIC que operaron durante todo 2013 (Canela 1 y 2, Lebu, Totoral, Monte Redondo y Punta Colorada), varió entre 8% (Punta Colorada) y 25% (Monte Redondo), con un valor medio de 20%. Los parques eólicos más recientes (Ucuquer, Talinay y Negrete) alcanzaron factores de planta del orden del 30% durante 2014 y así el factor de planta promedio en 2014 se empinó hasta 24%¹. En el resto del mundo el factor de planta promedio es alrededor de 20%, aunque varía desde 18% en Italia hasta 33% en los Estados Unidos.

Los promotores de las energías renovables afirman que los factores de planta de las centrales eólicas irán aumentando en el tiempo. Las primeras centrales eólicas que se instalaron habrían pagado con factores de planta bajos su inexperiencia. Sin embargo, en Chile no hay suficiente evidencia que permita sostener que los nuevos proyectos alcanzarán sistemáticamente mayores factores de planta. La experiencia en el mundo tampoco es categórica. Por ejemplo, en Dinamarca el factor de planta ha ido aumentando con el tiempo, pero en Inglaterra, ha ido cayendo. Seguramente, la mayor experiencia en parte es compensada por el hecho que los sitios más favorables tienden a explotarse antes y en parte porque la generación de las turbinas decae con los años producto del desgaste.

La Figura 1 muestra la distribución estadística del factor de planta horario durante las 8.760 horas de un año. El panel (a) muestra la distribución del factor de planta de la generación solar fotovoltaica en el SING en 2011; el panel (b), la distribución del factor de la generación eólica en el SIC en 2013; y, para comparar, el panel (c) muestra la distribución del factor de planta horario de la generación hidroeléctrica de pasada en el SIC en 2013.

Quizás el hecho más notorio es que el factor de planta de la generación solar fotovoltaica es menor que 5% la mitad de las horas del año, principalmente porque durante la noche no hay sol. Y aunque el viento también sopla de noche, su factor de planta horario es menor que 5% durante un tercio de las horas, y menor que 15% alrededor de la mitad. De esta forma, durante buena parte de las horas de un año la generación de fuentes renovables es nula o muy pequeña. Al mismo tiempo, el factor de planta de la generación solar supera el 80% menos del 10% de las horas del año; y el factor de planta de la generación eólica supera el 60% menos del 5% de las horas. El resultado son factores de planta horarios promedio tal como los que reporté líneas arriba: 30% para el sol, 20% para el viento, considerablemente más bajos que los de las fuentes tradicionales de generación.

Como ya se dijo, se suele creer que la generación hidráulica de pasada es volátil. Sin embargo, el panel (c) muestra que su variabilidad es menor que la del sol o la del viento. En efecto, el factor de planta siempre es mayor que 30% (incluso en un año seco como 2013) y casi siempre menor que 70%. Así, y al contrario del sol o del viento, los factores de planta se concentran en los valores medios de la distribución. Por lo mismo, los coeficientes de variación de la generación solar y eólica (1,12 y 1,02) son casi cuatro veces mayores que el coeficiente de variación de la generación hidroeléctrica de pasada (0,24)².

Se suele afirmar que la volatilidad de la generación eólica y solar se puede moderar ubicando centrales en lugares distantes entre sí, lo que disminuiría la correlación de su producción. Sin embargo, dispersar las centrales solares de poco sirve, porque la noche cae a la misma hora en todas partes y por eso el coeficiente de correlación es cercano a 1,0.

El viento es un tanto diferente, pero no tanto. A distancias de no más de un kilómetro la correlación horaria de la generación es cercana a 0,9 y a unos 100 km 0,7. Recién a distancias mayores a los 1.000 km la correlación declina a valores entre 0,1 y 0,5. Por lo tanto, para reducir su variación habría que dispersar los parques eólicos por todo Chile y aumentaría considerablemente la inversión en líneas de transmisión. Pero similarmente importante es que los parque eólicos se ubican cerca unos de otros porque persiguen aquellos lugares con mejor viento. Así, no es sorprendente que en Chile el 70% de los casi 755MW de capacidad eólica se hayan instalado en un radio menor que 50 km alrededor del parque Monte Redondo.

Quizás la manera más gráfica de apreciar la volatilidad de una fuente de generación es mediante su perfil — la distribución de los factores de planta durante las 24 horas del día. La Figura 2 muestra los perfiles de generación solar fotovoltaica, eólica e hidroeléctrica de pasada, durante las 24 horas de seis días representativos. El grosor de cada línea es proporcional a la frecuencia con que ocurre cada tipo de día durante el año respectivo. Cada tipo de generación tiene su perfil distintivo.

El factor de planta de la generación solar fotovoltaica es cero durante la noche y madrugada, y es máximo a medio día. Dependiendo de la estación del año y de cuan nublado o soleado sea el día, su magnitud varía entre 50% y 90%. A lo largo del día, el factor de planta varía rápidamente. Por ejemplo, en días soleados (la línea más gruesa en el panel (a)), el factor de planta aumenta rápidamente desde 0% a las 6:00 de la mañana hasta 85% a las 10:00 de la mañana. De manera similar, el factor de planta cae durante la tarde desde 84% a las 16:00 horas hasta 0% a las 20:00 horas. Y aunque los promedios de la figura lo esconden, durante la mañana y tarde de un día cualquiera, el factor de planta puede aumentar o caer en 20 puntos porcentuales en una sola hora.

A diferencia de la generación solar fotovoltaica, el perfil de la generación eólica puede variar fuertemente entre un día y otro. Si bien en buena parte de los días, el factor de planta horario es menor que 20%, las diferencias entre horas son mayores durante los días de mayor generación, ya que en esos días se tiende a generar más en la tarde y en la noche y menos durante la mañana y la madrugada. Durante un día representativo de mayor generación (la línea superior en el panel (b)), el factor de planta aumenta desde 20% a las 6:00 horas hasta 76% a las 18:00 horas, con una tasa media de aumento de 3,8 puntos porcentuales por hora. Sin embargo, la tasa es mayor para el siguiente día de mayor generación (segunda línea de arriba hacia abajo), alcanzando ocho puntos porcentuales de aumento por hora entre las 12:00 y las 18:00 horas.

Nuevamente es útil comparar la variabilidad del viento y el sol con la variabilidad de la generación hidroeléctrica de pasada (panel (c)). La variación entre días es importante – el factor de planta varía entre 30% y 60%. Sin embargo, el factor de planta apenas varía dentro de las 24 horas de un día.

La variabilidad de la generación solar fotovoltaica y eólica implica mayores costos de operación y planificación. De un lado, los sistemas de potencia requieren unidades que provean energía cuando el sol y el viento no están —el así llamado “efecto de utilización”. Del otro lado, la rapidez e incertidumbre con que varían aumenta el costo de operar un sistema de potencia porque centrales térmicas de respaldo tienen tiempos mínimos de encendido y apagado. La necesidad de estar rápidamente disponibles obliga a mantenerlas en encendidas todo el tiempo pero operando fuera del despacho económico. Esta operación requiere más combustibles por unidad de energía generada aumentando las emisiones de contaminantes locales y de CO₂ por unidad de energía y sus costos son considerables.

En Chile, los estudios de planificación han resuelto el problema de la variabilidad de la generación eólica y fotovoltaica ignorándola³. Por eso, no advierten los significativos costos que le imponen al resto del sistema. En las siguientes Breves explicaré en detalle en qué consisten estos costos y estimaré su magnitud.