A principios de la década de los ochenta se proyectaron e instalaron seis unidades turbogas estratégicamente distribuidas en el Área Metropolitana de Monterrey: dos unidades de 14 MW a gas natural en la S.E. Universidad, dos de 14 MW en la S.E. Leona, una unidad dual gas natural/diésel en la S.E. Tecnológico, con capacidad nominal del orden de 30 MW y operación práctica del orden de 26 MW en el sitio, y una unidad de 14 MW a gas natural en la S.E. Fundidora. Concebidas originalmente para atender la demanda de punta, con el tiempo su utilización evolucionó para responder a otras necesidades operativas del sistema.
Actualmente, los sistemas de almacenamiento de energía con baterías (BESS) ofrecen una nueva alternativa para complementar estos activos, incorporando mayor flexibilidad a su operación y permitiendo aprovechar la infraestructura eléctrica existente.
Objetivo del proyecto: Sustituir total o parcialmente la generación de las unidades turbogas durante las horas de punta mediante energía almacenada en el BESS durante las horas base, sin pretender incrementar la capacidad del equipo asociado existente, y aprovechar adicionalmente la capacidad de sus inversores para proporcionar soporte dinámico de voltaje durante su operación.
1. Arquitectura de Integración Eléctrica
La solución técnica busca aprovechar la infraestructura eléctrica y de transmisión existente en cada predio:
- Punto Común de Acoplamiento (PAC): El sistema BESS se acopla a la barra existente de 13.8 kV mediante sus propios transformadores de acoplamiento e inversores bidireccionales, cuya configuración y sistema de control se especificarán de acuerdo con las funciones operativas requeridas.
- Reutilización del Transformador Principal de Potencia: La energía entregada por el BESS durante su descarga se transfiere a la Red a través del transformador principal, la bahía y el interruptor de potencia existentes, respetando la capacidad nominal de estos equipos.
- Control Maestro Híbrido (PMS / EMS): Un sistema de administración de energía coordina la carga y descarga del BESS y su interacción con las unidades turbogas, de acuerdo con la estrategia de operación que se establezca.
2. Modos de Operación y Soporte de Red
| Modo de Operación | Función del Sistema BESS | Beneficio en la Red de Monterrey |
|---|---|---|
| Regulación Dinámica de Voltaje | Inyección o absorción de potencia reactiva (MVAr), de acuerdo con la capacidad y configuración de los inversores. | Soporte dinámico de tensión sin requerir para esta función la operación de la unidad turbogas. |
| Respuesta Rápida de Potencia / Soporte de Frecuencia | Entrega o absorción rápida de potencia activa ante variaciones de frecuencia o condiciones de operación que así lo requieran, conforme a la configuración del sistema de control. | Capacidad de respuesta prácticamente inmediata, complementaria a la respuesta mecánica de las unidades turbogas. |
| Despacho de Punta — Función principal y base de la amortización de la inversión | Almacenamiento de energía durante las horas base y descarga durante las horas de punta. La duración de descarga deberá definirse a partir del perfil real de operación y de las funciones de respaldo que se asignen al sistema. | Sustitución total o parcial de la generación turbogas durante las horas de punta, reduciendo el consumo de combustible, las emisiones locales y los costos de generación. |
2.1 Operación continua como soporte de voltaje
Además de su utilización para almacenar energía en horas base y sustituir total o parcialmente la generación turbogas durante las horas de punta, el BESS puede permanecer disponible para prestar soporte dinámico de voltaje mediante la inyección o absorción de potencia reactiva.
Esta función permite aprovechar los inversores durante las horas en que el sistema no está cargando o descargando potencia activa. En esas condiciones, la capacidad disponible del PCS puede utilizarse para regulación de tensión, de acuerdo con las necesidades de la red y dentro de los límites de diseño del equipo.
A diferencia del despacho de potencia activa, esta función no depende de disponer de varias horas de energía almacenada. Por ello, el BESS puede prestar soporte de voltaje durante gran parte del día sin comprometer de manera significativa la energía reservada para sustituir la generación turbogas, salvo las pérdidas propias de los equipos de conversión y auxiliares.
Cuando el BESS se encuentre cargando o descargando potencia activa, la capacidad simultánea para suministrar o absorber potencia reactiva dependerá de la potencia aparente disponible en los inversores. La capacidad definitiva en MW, MVA y MVAr deberá establecerse durante la ingeniería del proyecto, a partir de los estudios eléctricos y de las necesidades reales de regulación de tensión en el punto de conexión.
Aprovechamiento durante las 24 horas. La infraestructura instalada principalmente para desplazar generación turbogas en determinadas horas puede permanecer operativamente útil durante el resto del día, agregando una función continua de soporte de voltaje sin que ello implique, por sí mismo, aumentar la capacidad de energía del banco de baterías.
3. Autonomía y respaldo escalonado BESS–Turbogás
Duración de descarga a evaluar. Aunque el caso base puede analizarse inicialmente con autonomías de 2 a 4 horas, la duración definitiva debe definirse a partir del perfil real de operación de las unidades turbogas. En periodos recientes se ha observado operación vespertina-nocturna del orden de seis horas en la unidad de Tecnológico. La permanencia de la unidad turbogás en operación durante varias horas no implica necesariamente que durante todo ese periodo esté atendiendo demanda de punta a plena carga. Parte de esa operación podría responder a criterios de confiabilidad, reserva operativa o cumplimiento de contingencias N-1, manteniendo la unidad sincronizada y a carga reducida para disponer de generación inmediata en caso necesario. En estas condiciones, la respuesta rápida del BESS podría asumir inicialmente la contingencia y reducir la necesidad de mantener la turbogás operando preventivamente, conservándola como respaldo de mayor duración. Por ello, las horas observadas de operación de la turbogás no deben utilizarse directamente para determinar los MWh del BESS; el dimensionamiento deberá considerar la potencia realmente generada, la causa de su despacho y el tiempo durante el cual se requiere mantener el respaldo.
Respaldo escalonado BESS–Turbogás. La integración no elimina la función de respaldo de las unidades existentes. El BESS puede aportar respuesta inmediata ante una contingencia y sostener temporalmente la carga mientras se evalúa su duración. Si el evento se prolonga, o si el BESS ya ha utilizado parte de su energía durante la operación diaria, la autonomía restante puede emplearse para dar tiempo al arranque de la unidad turbogás en combustible diésel, que asumiría posteriormente el suministro de mayor duración. De esta manera, el BESS y la turbogás no compiten: se complementan.
El PMS/EMS deberá administrar el estado de carga (SOC) de acuerdo con la condición operativa del sistema. Cuando existan mantenimientos, contingencias relevantes o una condición de confiabilidad que lo justifique, CFE podrá establecer una reserva mínima de energía en el BESS y limitar su descarga económica, preservando capacidad para una respuesta inmediata. El valor de esa reserva y los tiempos de transferencia deberán definirse con los procedimientos reales de operación de las unidades y con los estudios correspondientes.
4. Ventajas Estratégicas de Ingeniería
- Aprovechamiento de Predios y Derechos de Vía Existentes: La instalación del BESS se plantea dentro de los predios de las instalaciones existentes, aprovechando su infraestructura eléctrica y evitando, en principio, la necesidad de nuevos derechos de vía para su interconexión.
- Extensión de Vida Útil de las Unidades Turbogas: La sustitución parcial o total de su operación durante las horas de punta reduce horas de funcionamiento y ciclos de arranque y parada, disminuyendo el desgaste asociado y los requerimientos de mantenimiento.
- Reducción de Emisiones Locales: La sustitución total o parcial de la generación turbogas durante las horas de punta reduce el consumo local de combustible y las emisiones asociadas de CO₂ y NOx en el Área Metropolitana de Monterrey.
Acrónimos y abreviaturas
- BESS / SAEE: Battery Energy Storage System / Sistema de Almacenamiento de Energía Eléctrica. BESS es la denominación internacional de uso común; SAEE es la denominación utilizada en México y en documentación técnica de CFE.
- PMS: Power Management System — Sistema de gestión y control de potencia.
- EMS / SGE: Energy Management System — Sistema de Gestión de Energía.
- PAC: Punto Común de Acoplamiento.
- SOC: State of Charge — Estado de carga del sistema de baterías.