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Máster Oficial en Energías Renovables y Eficiencia Energética (PROGRAMA OFICIAL DE POSGRADO EN INGENIERIA ELÉCTRICA Y ENERGÉTICA) TRABAJO FIN DE MASTER ANÁLISIS DE VIABILIDAD DE LOS BOMBEOS REVERSIBLES CURSO 2012-2013 Autora Marta Navarro Uriel Director Javier Uche Marcuello Escuela de Ingeniería y Arquitectura Diciembre 2012 RESUMEN En el presente trabajo fin de máster se estudia la viabilidad económica de las centrales de bombeo reversible. Debido a la gran necesidad de almacenar energía para adecuar la oferta y demanda eléctrica, y aprovechar excedentes puntuales de las energías renovables, los bombeos reversibles parecen ser una de las mejores opciones disponibles, dada su flexibilidad y rápida respuesta a dichas variaciones. Si una central reversible compra la energía en el mercado libre tiene que adaptarse a la normativa de régimen ordinario y a los periodos tarifarios que ello conlleva. En ningún caso puede considerarse que pueda utilizar energía renovable, y por tanto ceñirse a un escenario de precios más favorable (Régimen Especial). En el mercado libre, los precios de la energía son muy variables. Por lo tanto, el análisis de viabilidad se lleva a cabo con precios reales tanto de compra como de venta de los últimos años para una hipotética central hidroeléctrica de bombeo reversible que se instalara entre varios pares de embalses (superior e inferior) existentes en el Valle del Ebro, analizando además diversas formas de gestión de la operación. Además, y dada la escasa rentabilidad del sistema analizado de forma individual sin las ventajas que aporta al sistema eléctrico, se analiza el beneficio adicional que supondría que la central reversible bombeara sus excesos de producción, mantener la carga en una central térmica o evitar la parada de una central nuclear en períodos nocturnos. En esencia, este proyecto propone estudiar la rentabilidad actual de los bombeos reversible puros como forma de almacenamiento energético mediante una instalación que funcionará aprovechando la capacidad de los embalses, y generando una energía eléctrica cuya venta supere el costo de compra de energía para el bombeo, de acuerdo con los periodos horarios más favorables y el marco tarifario vigente. Palabras clave Bombeo reversible, análisis viabilidad, integración EERR, curvas carga. Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 1 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................... 2 1.1. L A HIDROELÉCTRICA DE B OMBEO REVERSIBLE ............................................................................... 2 1.2. I NTEGRACIÓN CON EERR O GRUPOS TÉRMICOS ............................................................................ 3 2. ESTADO DEL ARTE ................................................................................................................... 4 2.1. E STUDIOS REALIZADOS ............................................................................................................. 5 Complejo Cortes - La Muela ................................................................................................ 6 La integración hidro-eólica en el mercado libre de la electricidad ................................... 7 Optimización conjunta del bombeo y de la energía eólica en el contexto del Mercado Eléctrico............................................................................................................................... 8 3. METODOLOGÍA ....................................................................................................................... 9 3.1. M ERCADO ELÉCTRICO ESPAÑOL DE LA ENERGÍA ............................................................................. 9 3.1.1.Precio de Compra ....................................................................................................... 9 3.1.2.Precio de venta ........................................................................................................ 13 3.2. H ORAS RENTABLES DE COMPRA Y VENTA ................................................................................... 14 3.3. G ESTIÓN HIDRÁULICA DE LOS EMBALSES .................................................................................... 16 3.4. D ISEÑO DE LA INSTALACIÓN ..................................................................................................... 17 3.5. S ISTEMAS ANALIZADOS EN EL E BRO .......................................................................................... 17 3.6. A NÁLISIS DE RENTABILIDAD : VAN Y TIR .................................................................................... 22 3.7. B ENEFICIOS ADICIONALES CON GESTIÓN CONJUNTA . .................................................................... 26 3.7.1.Integración con Eólica .............................................................................................. 26 3.7.2.Integración con Térmica .......................................................................................... 27 3.7.3.Integración con Nuclear ........................................................................................... 29 5. CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 31 6. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................ 32 ANEXO 1: PRECIO DE LA ENERGÍA ANEXO 2: HORAS RENTABLES Y GESTIÓN DEL EMBALSE ANEXO 3: DISEÑO DE LA INSTALACIÓN ANEXO 4: ANÁLISIS VAN Y TIR ANEXO 5: GESTIÓN CONJUNTA Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 2 1. INTRODUCCIÓN Actualmente, la generación de energía a nivel mundial se basa en la utilización de combustibles fósiles, como el carbón, el gas natural o el petróleo. Éste modelo energético está basado en la explotación de unos recursos finitos y locales, que provocan efectos muy perjudiciales para el medio ambiente y comprometiendo el desarrollo de las generaciones venideras [1]. España es un país con alta dependencia energética del exterior, es decir, el 78% de la energía primaria que se consume en España es importada y procede fundamentalmente de combustibles fósiles. Por lo tanto, la reducción de esta dependencia energética es uno de los ejes de la política del Gobierno de España. De ahí la apuesta por las interconexiones y por las energías renovables que, además de ser beneficiosas desde el punto de vista medioambiental y por el desarrollo industrial que acarrean, son autóctonas y contribuyen a que seamos menos dependientes. Otro punto importante en la generación eléctrica es el marco energético en el que nos encontramos. El aumento del consumo de la energía es una constante en los últimos años tanto en España como en el resto del mundo. Sólo la crisis económica ha logrado romper esa tendencia, debido fundamentalmente a la quiebra de múltiples empresas y a la reducción de la actividad industrial, que ha dado lugar a una disminución significativa del consumo, dado que este sector concentra la mitad de la demanda total. Una vez superada la crisis, para el 2030 se prevén nuevos aumentos, en torno al 50% más de energía que se consume que en la actualidad, según estudios realizados por la Agencia Internacional de la Energía [2]. Por todo ello, como fuente de energía renovable, la hidroeléctrica es una de las más importantes en España. El agua a parte de las muchas propiedades que hacen de ella un elemento único en la naturaleza, tiene la característica de ser una fuente de energía renovable gracias a su ciclo natural. La transformación de su energía potencial gravitatoria en energía eléctrica permite un alto nivel de eficiencia energética, ya que en el proceso se puede alcanzar rendimientos del orden del 90%. Hoy en día pocas tecnologías energéticas consiguen unos rendimientos tan elevados [3]. Además hay que tener en cuenta que es una fuente energética totalmente autóctona, ya que es un recurso primario existente en suelo nacional. Se calcula que de cada kWh producido en una central hidroeléctrica, se evita la importación de 220 gramos de petróleo o su equivalente energético. En un año de producción hidroeléctrica media, España se ahorra la importación de unos 7 millones de toneladas equivalentes de petróleo [3]. 1.1. La hidroeléctrica de Bombeo reversible Un tipo especial de central hidroeléctrica es la denominada central de bombeo o reversible, como se ilustra en la figura 1, la cual posee dos embalses. El agua contenida en el embalse inferior es elevada al embalse situado en la cota más alta, con el fin de reutilizarla posteriormente para la producción de energía eléctrica. Este tipo de centrales produce energía durante las horas puntas del consumo, es decir, las de mayor demanda, funcionando como una central hidroeléctrica convencional. Después, durante las horas valle, que son las de menor demanda, se bombea el agua que ha quedado almacenada en el embalse inferior al superior, bien mediante una bomba o una la turbina si ésta es reversible, de manera que el agua pueda volver a ser utilizada en un nuevo ciclo . A pesar de que en un ciclo bombeo-turbinación se producen unas pérdidas energéticas de cierta importancia, del orden del 25-30%, en términos económicos, esas pérdidas suelen ser menores que la relación de costes de generación entre las horas punta y valle. Cabe destacar que este tipo de centrales ha surgido como complemento de las grandes instalaciones nucleares y térmicas clásicas [4]. Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 3 Figura 1. Esquema de una central de Bombeo Reversible [5]. La energía hidráulica es un tipo de energía que presenta una serie de ventajas sobre las energías convencionales e incluso sobre otras energías renovables [1][6]: - Es una energía renovable con gran disponibilidad, ya que se trata de un recurso inagotable siempre que el ciclo del agua perdure. - Es autóctona, evitando de esta forma importaciones del exterior, dando cobertura las horas puntas de demanda, y además, desde el punto de vista ambiental no genera calor ni emisiones contaminantes. - Supone un sistema de generación eléctrica muy eficiente y una disminución de las perdidas del transporte con una producción de electricidad de muy buena calidad, puesto que ayuda a la regulación de tensión, regulación primaria, reserva secundaria y terciaria, gestión de desvíos y reposición del servicio. - Requiere realizar inversiones normalmente en zonas rurales, favoreciendo el desarrollo de las áreas locales lo cual genera puestos de trabajo en su construcción, mantenimiento y explotación. Además, al utilizar la potencia de estas instalaciones en horas punta se reducen las necesidades de incorporar equipos adicionales de generación en el sistema, al tiempo que se proporciona una mayor garantía. Son, en definitiva, una forma económica de almacenar energía en forma de agua embalsada en el depósito superior [3]. Entre los inconvenientes de este tipo de centrales, está la hidraulicidad tan dispar que tienen la mayoría de nuestros ríos, por lo que es muy difícil hacer previsiones a largo plazo de la energía que son capaces de producir, así como de su garantía de potencia. También hay que indicar el efecto que los regadíos tienen sobre la producción hidroeléctrica, provocando fuertes y sistemáticas reducciones de las aportaciones y la rigidez del uso de muchos embalses, con la consecuente disminución de la calidad de la energía. Otro inconveniente también importante es que la generación hidroeléctrica suele estar alejada de los centros de consumo, lo que obliga a la ejecución de líneas de transporte, lo cual, además de encarecer la inversión, provoca pérdidas de energía y un impacto ambiental cada vez más cuestionado en nuestro país [4]. 1.2. Integración con EERR o grupos térmicos Para la consecución de los objetivos del Plan Energético de Aragón, del Plan de Energías Renovables de España y para que el sistema eléctrico de la península tenga mayor calidad, mayor seguridad y mejor aprovechamiento de las energías renovables, surge la necesidad de almacenar la energía que dan cuando la red no la necesita, para así, poder usarla cuando el consumo lo exija Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 4 [5]. Esta necesidad es patente para las energías renovables de carácter intermitente como lo es la eólica [2]. Por ello, desde el punto de vista del sistema eléctrico, los aprovechamientos hidroeléctricos reversibles, proporcionan una elevada calidad y garantía al suministro de energía eléctrica, facilitando el seguimiento de la curva de carga, esto es, de las variaciones de la demanda, que muestra la Figura 2, la regulación de la frecuencia y de la tensión y contribuyendo en caso necesario a la rápida reposición del servicio o a la sustitución inmediata de la producción de centrales térmicas convencionales o nucleares en caso de indisponibilidad fortuita, lo que se denomina reserva rodante [3]. Figura 2. Estructura de la curva de carga [7]. Asimismo, muchos estudios han analizado y comparado una amplia gama de alternativas de almacenamiento de energía para futuros sistemas de energía basados en electricidad, calor y transporte. Muchos de ellos, citan la hidroeléctrica de bombeo reversible como la tecnología de almacenamiento de energía más usada y madura a gran escala actualmente disponible, pero su principal inconveniente hoy en día, es la falta de lugares adecuados para su ubicación [8]. Seguidamente, en este trabajo se llevará a cabo un análisis de viabilidad considerando datos reales tanto de compra como de venta para un central hidroeléctrica de bombeo reversible, además de una simulación de escenarios "ideales" donde se integrará con un parque eólico, para suplir sus excesos de producción en horas para las cuales no pueden ser incluidas en el mercado eléctrico, y al mismo tiempo, con una central térmica y una nuclear, funcionando conjuntamente en el hipotético caso de no parar dichas centrales, evitando así el coste del arranque de éstas. Cabe mencionar que no se ha llevado a cabo una optimización mediante herramientas de programación matemática, puesto que una optimización se realiza a partir de una simulación de escenarios, con precios simulados. En este caso se ha trabajado con datos reales horarios de compra y venta del mercado de la energía de tres años consecutivos (2009,2010 y 2011) y con emplazamientos reales de la cuenca del Ebro. Del mismo modo, al realizar posibles integraciones con un parque eólico y con una central térmica, dicha optimización no se puede llevar a cabo. 2. ESTADO DEL ARTE La fuerza hidráulica ha sido tradicionalmente explotada para una gran variedad de usos productivos, desde el agroalimentario al textil. Las centrales de bombeo reversible son un tipo de instalación que necesita unas condiciones geográficas muy específicas para que un proyecto sea viable, es decir, cierta diferencia de altura, topografía favorable, buenas condiciones geotécnicas, fácil acceso a las redes eléctricas y disponibilidad de agua. Por ello, algunas de las primeras Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 5 plantas de bombeo reversible se construyeron en las regiones alpinas de Suiza y Austria, regiones que tienen un rico recurso de hídrico y una topografía natural de cortesía para éstas [9]. El desarrollo cronológico de las centrales de bombeo en muchos países muestra que la mayoría de las plantas se construyeron a partir de 1960 hasta finales de 1980 [9]. Su gran auge fue en la década de los 70, debido en parte a la crisis del petróleo, cuando la mayor parte de la demanda energética era suministrada por centrales nucleares de funcionamiento rígido, lo cual requería, por un lado, una energía flexible para el servicio de la punta de la curva de carga, y por otro lado, el aumento del consumo mínimo del sistema durante las horas valle para poder operar las centrales nucleares en forma eficiente y segura. Este fue el caso de España, entre otros países, que emprendió un ambicioso programa de central reversible, alcanzándose una capacidad reversible total próxima a los 5000 MW. El abandono durante la década de los 80 de los programas nucleares motivo la disminución del interés por este tipo de esquemas. Además este abandono se vio incrementado posteriormente por las mejoras tecnológicas introducidas en las turbinas de gas y por la extensión del uso del gas natural como combustible, ya que esto provocaba el abaratamiento de la energía punta y, en consecuencia, afecto el valor de las centrales de bombeo [10]. En la década de los 90 se desarrollaron menos instalaciones debido a una saturación natural de los mejores lugares disponibles (los más rentables) y una disminución del crecimiento en el desarrollo nuclear [9]. A pesar de estas circunstancias las centrales de bombeo siguen siendo una solución válida. Por ello, aunque con menor intensidad que en el pasado, se siguen construyendo grandes centrales reversibles [10]. Como se muestra en la Tabla 1, las centrales de bombeo generalmente representa un pequeño porcentaje la generación eléctrica de un país en términos de capacidad instalada. El país con el mayor porcentaje de centrales de bombeo instaladas en todo el mundo es Luxemburgo con el 67%. Pero, excluyendo este país, la capacidad instalada promedio de los países es aproximadamente un 6%. Los países con altas capacidades instaladas de centrales de bombeo generalmente tienen una gran cantidad de capacidad instalada de energía nuclear, como Letonia, Japón y la República Eslovaca o una rica topografía hidroeléctrica como Croacia y Austria [9]. Tabla 1. Capacidad de generación instalada (MW) y porcentaje de bombeo instalado sobre el total de la capacidad instalada [9]. 2.1. Estudios realizados Desgraciadamente, el estudio de la viabilidad económica de una central reversible no se puede generalizar ya que tanto el emplazamiento, disponibilidad de agua, los precios de la energía, la normativa, y sobre todo, las razones para su implantación (léase una compañía eléctrica con varias unidades de generación que consuman combustible fósil o nuclear) hacen que la viabilidad económica de cada central reversible sea un problema muy distinto a resolver en Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 12 Tabla 7. Precio de las tarifas de acceso en términos de energía (€/KWh) para el 2011 [20] − Impuestos (IMP): Estos forman parte de las facturas eléctricas como gastos de alquiler de equipos de medida, además de los impuestos que gravan los ingresos necesarios para compensar la supresión de sectores energéticos no viables, y su 4,864% de la facturación total. La base imponible del impuesto está constituida por el resultado de multiplicar por el coeficiente 1,05113 el importe total que, con ocasión del devengo del impuesto, excluidas las cuotas del propio Impuesto sobre la Electricidad [15]. Por lo tanto, sabiendo que el coste por desvíos es cero y que no se consume reactiva, el precio de compra queda definido por la siguiente ecuación: IMPPAPFHPC • + = )( (2) A continuación se muestra la figura 6 con los resultados del precio horario de compra medio para los años 2009, 2010 y 2011. En ella se observa la diferencia de precio entre años estudiados, como se ve, para el año 2009 y 2010 el precio es más o menos igual, en cambio, para el año 2011 hay un incremento importante del precio de compra de la energía. Figura 6. Precio de compra medio para el año 2009, 2010 y 2011 Conjuntamente, en el Anexo 1, se muestran los resultados detallados del precio horario de compra para todos los meses de cada uno de los años analizados, debido a que, como más adelante se explicara, si los datos utilizados no se analizan día a día, con las medias horarias se pierde la variabilidad de los precios para distintos días del mes para la misma hora del día, y es imposible obtener un beneficio realista. Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 13 3.1.2. Precio de venta Para la estimación del precio de venta, éste debe obtenerse como si se fuera a realizar una oferta al mercado mayorista. La ecuación que define, por lo tanto, el precio de venta es: PAgPPCPMDPV − + = )( (2) Donde PMD es el precio del mercado diario (obtenido directamente de la comisión nacional de la energía), PPC son pagos por capacidad (la antigua “garantía de potencia”) y PAg es el Peaje de Acceso de generación. Para hallar los pagos por capacidad aplicados al precio de venta, debe aplicarse en la actualidad la Orden ITC/3127/2011, del 17 de noviembre, por la que se regula el servicio de disponibilidad de potencia de los pagos por capacidad y se modifica el incentivo a la inversión. Por lo tanto, la cuantía de los pagos por capacidad se obtiene a partir de la siguiente expresión, en términos de la potencia de la instalación (€/MW): ijji PNindaRSD •• = , (3) Que permite finalmente obtener en términos de Energía (€/MWh) dicha bonificación, y queda definida como: i ij ji PN Ht PNinda RSD • •• = , (4) Donde: · a: es un índice que representa la retribución anual por disponibilidad, expresada en euros por MW. La definición de los valores de este índice se establecen en dicha orden con un valor de 5.150 €/MW. · ind j : es un índice que representa la disponibilidad de la tecnología j, expresada en términos unitarios con tres decimales. La definición de los valores de este índice se establece en dicha orden a partir de valores de disponibilidad históricos. Para centrales hidráulicas de bombeo y embalse, el valor lo establece en 0,237. · PN i : es la potencia neta en MW del grupo correspondiente i que figura en el registro administrativo de instalaciones de producción de energía eléctrica. En el casos de estudio de este TFM, la potencia media de la instalación será de 50 MW. · H t : son las horas de funcionamiento de la turbina, que obviamente dependerán de las horas que funcione el bombeo reversible (según su rentabilidad). En cierta forma, tenemos por tanto un proceso iterativo ya que el precio de la energía de venta depende de la operación del sistema, que es lo que se quiere optimizar. No obstante, esta “prima” de venta es muy poco representativa en el precio final de venta, y por tanto, el número de horas se ha ajustado en una segunda iteración para estimar esta prima, tras conocer el número de horas rentable para cada año analizado. En la tabla 8 siguiente se muestran los resultados obtenidos de los pagos por capacidad para los diversos años analizados: Tabla 8. Pagos por capacidad a ( €/MW) ind Potencia Nominal (MW) Horas funcionamiento Pagos por capacidad (€/MWh) 2009 5150 0,237 50 1300 0,939 2010 5150 0,237 50 1000 1,221 2011 5150 0,237 50 700 1,744 Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 14 Por último el peaje de acceso de generación viene definido en el Real Decreto-Ley 14/2010, peaje que pagarán todos los generadores de electricidad, con un valor de 0,5 €/MWh. En el caso de la venta de la energía no hay impuestos aplicables, ya que estos se aplican una vez establecido el precio final del mercado. Al mismo tiempo, para el caso de la venta también son aplicables costos por desvíos o consumo de energía reactiva, pero, al igual que se ha supuesto para la compra de energía, diremos que no hay dichas penalizaciones (ni a favor ni en contra). En el siguiente figura 7 se muestran los precios de venta medios obtenidos para los años 2009, 2010 y 2011. Se observa que en este caso sucede lo mismo que para el precio de compra, siendo 2011 un año más caro que los anteriores. Las horas rentables de bombeo y turbinado en gran medida van a depender de esta coyuntura del mercado. Figura 7. Precios de venta medios para los años 2009, 2010 y 2011. En el Anexo 1 se muestran las tablas de los precios horarios de venta de cada uno de los años analizados, que como en el caso de la compra, también se analizarán para todos los días del año de forma individual. 3.2. Horas rentables de compra y venta Una vez que se conocen los precios de compra y venta por una central reversible, hay que discriminar en cuantas horas es posible esta venta, según los precios del mercado. Además, habrá que tener en cuenta la penalización de los rendimientos globales del bombeo y turbinado. La ecuación siguiente muestra el punto de equilibrio (criterio de corte) para discriminar cuando compensa vender, comprar o no hacer ninguna de las dos cosas en la central reversible ( ) t b QHPV QH PC ηγ η γ •••• •• • ∆=        ∆ (5) Como el bombeo y turbinado operan con el mismo par de embalses, la diferencia de altura, ∆H, el caudal, Q (si el caudal de diseño de bombeo y turbinado es idéntico), y el peso especifico, γ, tienen el mismo valor, por lo tanto, la ecuación anterior queda definida como: Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 15 (6) Donde ɳ b es el rendimiento de la bomba, y ɳ t es el rendimiento de la turbina. Considerando grandes equipos de alto rendimiento, su valor se ha establecido en el 90% en ambos casos, al igual que el proyecto de Cortes II. De la ecuación 6 se deduce que en el momento en que ésta se iguale, será el punto de corte para el cual es rentable vender. En el siguiente Figura 8 se muestra el estudiar del precio de compra y venta según dicha ecuación, para todas las horas de compra y venta del mes de Enero del año 2011. Figura 8. Horas rentables de compra y venta para el mes de Enero del 2011 Se observa que el número de horas rentables no es tan elevado como se prevé, y generalmente los valores del precio de compra máximos son más elevados, en torno a 150€/MWh, que los del precio de venta, que están en torno a los 85 €/MWh para este caso de la figura 8. En una primera tentativa, se utilizaron como primera simplificación del análisis de viabilidad los precios medios horarios de cada mes del año 2011, pero, como se observa en la figura 9, ya en el mes de abril no se obtenía beneficio alguno de la compra y venta de energía, dado que el precio de venta no se cruza en ningún momento al precio de compra: las medias mensuales “suavizan” el precio medio al no considerar desviaciones diarias para la misma hora y por tanto, el análisis debe hacerse para los 365 días al año y sus 24 horas diarias. En el Anexo 2 se muestran los resultados obtenidos para todos los meses del año 2011, donde se comprueba que solo en los meses de Enero, Febrero, Marzo, Noviembre y diciembre se obtiene beneficios realizando esta gestión. ( ) t b PV PC η η • =         Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 16 Figura 9. Análisis del precio de compra y venta medios del mes de Abril del 2011. Por lo tanto, de aquí se deduce que esta simplificación implica una gran pérdida de información que impide realizar un análisis de viabilidad realista: en este caso no habría para Abril del 2011 período alguno rentable para el bombeo reversible. 3.3. Gestión hidráulica de los embalses Partiendo de un diseño de la elevación en la que el caudal (m 3 /s) elevado y descendido sea el mismo, debe decidirse la gestión hidráulica del sistema de embalses, que en una situación real deberá considerar la afección sobre usos aguas debajo de los mismos, y por supuesto, las prioridades asignadas a dichos usos en su construcción. Generalmente, dicha gestión se clasifica en diaria, semanal o mensual, pero obviamente alguna de estas opciones no tendrá sentido según la capacidad de los embalses analizados, por ejemplo si la capacidad fuera pequeña sería casi imposible hacer una gestión mensual con un caudal de diseño de la elevación moderado. Por lo tanto, una vez comprobado que con la capacidad de estos embalses es posible cualquiera de las gestiones, hay que analizar con cuál de ellas se obtiene mayor beneficio. Se han realizado tres opciones: con los datos horarios analizados día a día; con los datos horarios analizados semana a semana; y por último, con los datos horarios analizados mes a mes, para el mes de enero del 2011. Teniendo en cuenta para todos ellos que el balance de caudal bombeado y turbinado tiene que ser cero, es decir, en el caso diario al final del día, en el semanal al final de la semana y en mensual al final del mes. Si la gestión hidráulica cambia, obviamente habrá que controlar el nivel de llenado del embalse, y asegurarse de que las tomas para bombeo y turbinado siempre estén por encima del nivel mínimo para su explotación. En el caso de una potencia de bombeo es de 61 MW y la turbina de 50 MW correspondientes a un caudal de 30 m 3 /s, la forma de obtención del beneficio se muestra en la ecuación (7): ( ) [ ] horasNPNPCPNPVB bt ° − = ° ••• () (7) Entonces, los resultados obtenidos se muestran en la tabla 15: Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 17 Tabla 15. Resultados gestión diaria, semanal y mensual. Diaria Semanal Mensual Horas rentables 125 139 140 Posible Beneficio ( €) 152 . 102 180 . 215 187.721 En principio el resultado más favorable económicamente es para una gestión mensual del embalse, pero ésta implicaría un dimensionamiento de las balsas superior e inferior de muchos cientos de hm 3 para este ejemplo. Por lo tanto se ha optado por utilizar una gestión semanal, puesto que los resultados son bastante similares y su gestión es más razonable para el tamaño de los pares de embalse superior e inferior existentes en el Valle del Ebro analizado, teniendo en cuenta la servidumbre de usos que cuentan la mayoría de ellos. En el Anexo 2 se muestran los datos para la obtención de la tabla anterior, es decir, las horas rentables según la gestión y el beneficio obtenido en cada caso. 3.4. Diseño de la instalación Una vez que se ha definido la gestión semanal, se ha estudiado si el diseño del bombeo y turbinación afecta a la viabilidad de la central reversible. Se han probando diversos esquemas de funcionamiento, es decir, esquemas 1/1, 1/2 y 2/1 para los caudales relativos de subida/bajada, justificando la opción elegida según se obtenga mayor beneficio. Obviamente hay que cambiar la potencia de la bomba y la turbina en función de estos esquemas para que se mantenga el nivel semanal de la gestión hidráulica de los embalses. A continuación se muestra la tabla 16 resumen de los beneficios obtenidos según el tipo de esquema utilizado: Tabla 16. Resumen resultados esquemas de funcionamiento Esquema Horas turbina Horas bomba € turbina € bombeo V enta - Compra (€) 1/1 70 6 706 2 . 202 . 011 1 . 616 . 100 585 . 910 1/2 352 704 1 . 142 . 453 807 . 889 334 . 564 2/1 702 351 1 . 095 . 278 672 . 716 422 . 562 Del resultado de las tablas se comprueba que con una gestión semanal y un esquema 1/1 es como se obtiene mayor beneficio, y ello se debe a que el número de horas de compra y venta está equilibrado a efectos de coste - beneficio para un bombeo reversible en el caso del mercado eléctrico español reciente. En el Anexo 3 se muestran la obtención de los resultados mostrados en la tabla 16. 3.5. Sistemas analizados en el Ebro A continuación se van a describir las características más importantes de cada uno de los embalses considerados para la realización del análisis de rentabilidad de las centrales de bombeo [21][22]. Cabe destacar, que para analizar tanto los tipos de gestión como los posibles esquemas de explotación (desarrollados previamente), se ha utilizado la pareja de embalses de Lanuza y Bubal. • Lanuza - Bubal El embalse de Lanuza se sitúa en los Pirineos Centrales, en el límite con Francia, ocupando la parte norte de la provincia de Huesca, situado dentro del término municipal de Sallent de Gállego, regulando las aguas del río Gállego. Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 18 El embalse de Bubal se sitúa en el pirineo central, en el Valle de Tena, dentro de los términos municipales de Biescas, Hoz de Jaca, Panticosa y Sallent de Gallego, en la provincia de Huesca. Bubal, al igual que Lanuza, regula las aguas del río Gállego y recibe también aportaciones de los ríos Caldarés y Bolática. En la figura 10 se muestra la ubicación de éstos en relación a la cuenca del Ebro. Figura 10. Ubicación de los embalses de Lanuza y Bubal [21] Las características morfométricas y la potencia de bomba y turbina de estos embalses se resumen en las siguiente tabla 9: Tabla 9: Datos de los Embalses de Lanuza y Bubal Capacidad (hm 3 ) Cota (m.s.n.m) Lanuza 16,851 1275,5 Bubal 62,653 1084,42 ΔH (m) 171,08 Caudal bombeado /turbinado ( m 3 /s ) 29,6 4 Potencia Bomba (MW) 61,72 Potencia Turbina (MW) 50 • Mediano - El Grado El Embalse de Mediano está emplazado sobre la “depresión media”, unidad geológica de la depresión terciaria del Ebro. Se sitúa dentro del término municipal de La Fueva, en la provincia de Huesca. El embalse de El Grado se sitúa sobre la “depresión media”, dentro del término municipal de El Grado, en la provincia de Huesca. Ambos embalses regulan las aguas del río Cinca y sus afluentes, sobre todo la aportación del Ara. En la figura 11 se muestra la ubicación de éstos en relación a la cuenca del Ebro. Figura 11. Ubicación de los embalses de Mediano y El Grado.[21] Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 19 Las características de estos embalses se resumen en la siguiente tabla 10, así como el grupo de bombeo reversible postulado: Tabla 10: Datos de los Embalses de Mediano y El Grado Capacidad (hm 3 ) Cota (m.s.n.m) Mediano 434,524 527,9 El Grado 400,011 450,04 ΔH (m) 77,86 Caudal bombeado /turbinado ( m 3 /s ) 363,67 Potencia Bomba (MW) 308,64 Potencia Turbina (MW) 250 • Mequinenza - Ribarroja La cuenca vertiente del embalse de Mequinenza se sitúa en la Depresión Terciaria del Ebro, extendiéndose al Sur hasta la rama aragonesa de la Cordillera Ibérica. Está dentro del término municipal de Mequinenza, en la provincia de Zaragoza. El embalse de Ribarroja se sitúa dentro del término municipal de Ribarroja de Segre, en la provincia de Tarragona. Ambos regulan las aguas del río Ebro en su tramo bajo, y constituyen un aprovechamiento hidroeléctrico actual de gran envergadura, además de laminar avenidas puntuales del Ebro en el Delta. En la figura 12 se muestra la ubicación de éstos en relación a la cuenca del Ebro. Figura 12. Ubicación de los embalses de Mequinenza y Ribarroja.[21] Las características de la bomba y turbina seleccionada para este par embalses se resumen en las siguiente tabla 11: Tabla 11: Datos embalses de Mequinenza y Ribarroja Capacidad (hm 3 ) Cota (m.s.n.m) Mequinenza 1533,985 121 Ribarroja 209,56 70 ΔH (m) 51 Caudal bombeado /turbinado ( m 3 /s ) 333,13 Potencia Bomba (MW) 185,19 Potencia Turbina (MW) 150 Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 20 • Canelles - Santa Ana El embalse de Canelles se enclava en el reborde meridional de las Sierras Exteriores Subpirenaicas (Sierra de Mongay, Sierra de Monsech), también conocido con el nombre de zona de “Las Nogueras”. Se sitúa dentro del término municipal de Estopiñán, en las provincias de Huesca-Lérida. La cuenca del embalse de Santa Ana también se sitúa en “Las Nogueras”, al norte de la depresión terciaria del Ebro. Se sitúa dentro del término municipal de Castillonroy, en la provincia de Huesca. Ambos regulan las aguas del río Noguera Ribagorzana, muy regulado desde el punto de vista hidroeléctrico. En la figura 13 se muestra la ubicación de éstos en relación a la cuenca del Ebro. Figura 13. Ubicación de los embalses de Canelles y Santa Ana.[21] Las características del bombeo propuesto para estos embalses se resume en las siguiente tabla 12: Tabla 12: Datos embalses de Canelles y Santa Ana Capacidad (hm 3 ) Cota (m.s.n.m) Canelles 679,289 560 Santa Ana 236,552 378,7 ΔH (m) 181 Caudal bombeado /turbinado ( m 3 /s ) 181,17 Potencia Bomba (MW) 358,03 Potencia Turbina (MW) 290 • Oliana - Rialb El embalse de Oliana se sitúa en las Sierras Interiores de la Cadena Pirenaica, adosadas al Pirineo Axial, las Sierras Interiores configuran una estrecha franja de rocas, dentro del término municipal de Oliana, en la provincia de Lérida. El embalse de Rialb (en proceso de pruebas de llenado) se sitúa en una zona topográficamente deprimida conocida como Depresión Intermedia, dentro del término municipal de Baronia de Rialb, en la provincia de Lleida. Ambos regulan las aguas del río Segre, con vistas a un gran desarrollo agrícola posterior (canal Segarra-Garrigues) en la zona de Lérida. En la figura 14 se muestra la ubicación de éstos en relación a la cuenca del Ebro. Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 21 Figura 14. Ubicación de los embalses de Oliana y Rialb.[21] Las características de estos embalses se resumen en la siguiente tabla 13, así como el grupo de bombeo reversible postulado: Tabla 13: Datos embalses de Oliana y Rialb Capacidad (hm 3 ) Cota (m.s.n.m) Oliana 84,332 518,74 Rialb 403,552 430 ΔH (m) 88,74 Caudal bombeado /turbinado ( m 3 /s ) 140,4 Potencia Bomba (MW) 135,80 Potencia Turbina (MW) 110 • Camarasa - Talarn El embalse de Camarasa se sitúa sobre el Prepirineo, concretamente en las Sierras Exteriores de dicha cordillera (Sierras del Montsech, Sant Mamet y Carbonera, dentro del término municipal del mismo nombre, en la provincia de Lérida. El embalse de Talarn-Tremp se sitúa en la región central de los Pirineos, limitando al norte con la frontera Hispano-Francesa, dentro del término municipal de Talarn, en la provincia de Lérida. Ambos regulan las aguas del río Noguera Pallaresa. En la figura 15 se muestra la ubicación de éstos en relación a la cuenca del Ebro. Figura 15. Ubicación de los embalses de Talarn y Camarasa.[21] Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 28 Figura 17. Curva de demanda característica Como se observa en la figura 17 hay horas del día en las que existe energía sobrante (e.s.) de las centrales térmicas, que son las que se podría aprovechar para bombear agua en altura y así, poder utilizar esa energía sobrante en horas de máxima demanda. Por tanto, se ha supuesto una integración de una central de bombeo reversible con una central térmica, de la cual, se aprovechan sus excedentes en horas nocturnas, que serán aproximadamente 1200 horas al año (durante 200 días y 6 horas), para evitar así, los elevados costes correspondientes al arranque de la central o de su funcionamiento a carga parcial. El análisis se ha realizado con la pareja de embalses de Mequinenza y Ribarroja, puesto que tienen una mayor potencia de bombeo, equivalente a un grupo térmico. Como precio de venta de la energía se ha supuesto el mismo que se había definido con anterioridad, vendiéndola en horas de demanda punta, como si fuera una instalación independiente. En cambio, como precio de compra, al funcionar únicamente con la energía sobrante de la central térmica, se ha supuesto que los costes de generación de energía es el de la central térmica, además por supuesto del peaje de acceso correspondiente. Por lo cual, suponiendo unos costos de generación de 30 €/MWh más el peaje de acceso, se obtienen los resultados expresados en la siguiente tabla 22. Tabla 22. Resultados integración con una central térmica Beneficio Con Térmica Conectado a red 2009 957.162 1.147.205 2010 1.732.593 2.700.428 2011 3.631.185 1.092.712 Beneficio medio 2.106.980 1.646.782 Inversión inicial ( €) 107.485.000 107.485.000 Cash Flow (tasa de inflación 3%) 237.660.746 185.751.811 VAN (tasa interés 3%) -5.204.416 -27.544.144 TIR 2,80% 1,86% A la vista de los resultados se observa, que operar conjuntamente con una central térmica tampoco llega a ser rentable, ya que seguimos con un VAN negativo y el TIR es menor al 3%. Pero hay que prestar atención a lo que sucede con los beneficios netos de los diversos años. Los años donde el precio de venta es bajo, como en el 2009 y el 2010, se obtienen menores beneficios que Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 29 cuando la central de bombeo operaba por sí sola. Esto se debe precisamente al precio de venta al mercado, ya que al ser un precio tan bajo no es rentable vender todas las horas de energía sobrante de la central térmica, puesto que el precio de compra (costes de generación de la central térmica) es más elevado que el precio de venta del mercado: se ha tenido que reducir las horas de funcionamiento rentables. En la siguiente figura 18 se muestra el caso del año 2010, dónde, en semanas de los meses de abril - mayo hay menos horas rentables de funcionamiento, y por tanto los beneficios que se obtienen son menores. Figura 18. Ingresos y gastos integrando el BR con una central térmica para el año 2010. En cambio, como se observa en la tabla anterior 22, para el año 2011, se obtienen 2 millones más de beneficio operando conjuntamente con la térmica. Esto es debido a que es un año caro de venta de energía, y con un precio de compra de 31.532 €/MWh, es rentable vender todas las horas posibles de funcionamiento, y se han obtenido mayores beneficios que comprando energía a la red, puesto que el precio de compra al mercado era en general bastante mayor que los costes de generación de la térmica. Consecuentemente, la integración de una central de bombeo con una central térmica depende en gran medida de los precios de venta de la energía, puesto que, con los beneficios netos de la integración conjunta del año 2011, sí que sería económicamente rentable esta integración. 3.7.3. Integración con Nuclear Una central nuclear trabaja en carga base, parando solo en caso de avería y recarga de combustible. Por lo tanto, la integración de una central nuclear con una central de bombeo reversible, funcionando conjuntamente, aprovechando las horas valle, es decir, cuando se produce más de lo que se demanda, para bombear el agua, tiene sentido para una empresa eléctrica. Así pues, se ha supuesto un menor coste de generación de energía que para una central térmica, de 24 €/MWh, puesto que producir energía con una central nuclear es (en teoría, sin contar externalidades como la gestión de los residuos) más barato. A este coste de generación se le ha sumado el peaje de acceso correspondiente al periodo 6 de cada año. De este modo, se ha obtenido el precio de compra de la energía aplicado a la central de bombeo, para la pareja de embalses de Mequinenza y Ribarroja, que funcionará una media de 35 horas semanales, lo que hace un total de 1800 horas (nocturnas) al año. El precio de venta, como en el caso anterior, es el Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 30 fijado anteriormente para la venta al mercado eléctrico en sus valores más altos. Por lo tanto, en la tabla 23 se muestran los resultados obtenidos de la integración de la central de bombeo con una nuclear. Tabla 23. Resultados integración con una nuclear Beneficio Con Nuclear Conectado a red 2009 2 . 771 . 800 1 . 147 . 204 2010 3 . 522 . 495 2 . 700 . 428 2011 5 . 152 . 201 1 . 092 . 711 Beneficio medio 3 . 815 . 499 1 . 646 . 781 Inversión inicial ( €) 107.485.000 107.485.000 Cash Flow (tasa de inflación 3%) 430.376.382 185.751.811 VAN (tasa interés 3%) 77.733.418 -27.544.144 TIR 5,46% 1,86% Como se ve reflejado, los resultados de la integración muestran que económicamente el proyecto sería viable, ya que al tener un precio de compra bajo (fijado por los costes de generación de la nuclear mas el peaje de acceso), los precios de venta al mercado, incluidos los años donde el precio de venta es bajo, son en todo caso superiores a los precios de compra supuestos, logrando así más horas de funcionamiento y unos beneficios netos más favorables. Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 31 5. CONCLUSIONES En este TFM se ha analizado la viabilidad económica actual de la instalación genérica de bombeo reversible para varios pares de embalses, superior e inferior, que ya existen en la Cuenca del Ebro, de cara a profundizar en la viabilidad de esta solución en el Ebro y Aragón en particular, con generación de excedentes eléctricos tanto de generación fósil como renovable. Para ello se ha estudiado el número de horas rentables para la instalación en el marco energético español. Se obtuvo por tanto el precio de compra y venta en el mercado mayorista, obteniendo una serie de horas rentables, establecidas según el año analizado. Como se ha observado en los resultados obtenidos, el año 2009 es el año más estable de los tres revisados, ya que el precio de compra no es demasiado elevado y el precio de venta no es demasiado bajo. En el 2010 se obtienen más horas rentables, porque en los meses de mayor demanda existe mayor diferencia entre compra y venta, aunque no sean precios demasiado elevados. En cambio, el 2011 es el peor año en el sentido de rentabilidad, porque aunque las horas de venta son precios elevados, también lo son los de compra, dando pocas horas rentables. Asimismo se han analizados los posibles esquemas de funcionamiento de la central de bombeo reversible, obteniendo mayor beneficio bombeando las mismas horas que turbinando a lo largo de una gestión semanal del par de embalses, es decir, comprando y vendiendo el mismo número de horas, lo que ha definido el esquema utilizado a lo largo de todo el trabajo. Desde el punto de vista económico, la rentabilidad de las centrales reversibles, estudiada como una unidad independiente en el sistema eléctrico, no es elevada y por tanto no es viable, debido en gran medida al mercado actual de la energía y la elevada inversión requerida en la mayoría de los casos. Por ello hay que añadirle otros incentivos derivados de la flexibilidad y fiabilidad que aporta al sistema eléctrico y a otras instalaciones generadoras de energía como la eólica y la térmica o nuclear. El problema deriva en que para la realización de estas integraciones debería de incorporarse adicionalmente un cambio en la normativa (en el caso de las EERR), permitiendo integrar una central de bombeo con una parque eólico, para operar conjuntamente. En el caso de los beneficios de la integración con tecnologías térmicas, el beneficio real sólo lo saben realmente las compañías eléctricas. En este trabajo se han estimado dichos beneficios adicionales de una posible integración de estos bombeos reversibles para aprovechar la energía inutilizada por otras plantas, en este caso, un parque eólico, una central térmica y una nuclear. Los resultados que se han obtenido muestran que, al igual que operando de forma independiente, también depende del precio mercado eléctrico para el caso de la eólica. Para el caso de la integración térmica, la integración mejora los beneficios obtenidos, y ampliamente para el caso nuclear, debido a sus bajos costes de generación (instantáneos). Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 32 6. BIBLIOGRAFÍA [1] Agencia Andaluza de la Energía Consejería de Economía, Innovación y Ciencia. "Estudio de Potencial y Viabilidad para la Recuperación de Centrales Minihidráulicas en Andalucía". 2009. [2] CREA. "Necesidades y aprovechamientos hídricos en Aragón". Diciembre 2009. [3] Marcos, J.M.: "La generación de energía hidroeléctrica". Generación Eléctrica en el Siglo XXI. 2005. [4] UNESA. "La electricidad en España. 313 preguntas y respuestas". 2003. [5] Martínez, R. "El almacenamiento de energía en sistemas eléctricos de potencia: Centrales hidroeléctricas reversibles". Guía del almacenamiento de energía. 2011. [6] Uche, J. "Análisis prospectivo sobre la interrelación agua y energía en la Cuenca del Ebro". Diciembre 2010. [7] Navalón, B.: "El papel de la energía hidroeléctrica. ¿Una energía madura o con porvenir?". Ingeniería y territorio Nº 89, 2010. [8] Connolly, D., Lund, H., Finn, P., Mathiesen, B.V., Leahy, M.: "Practical operation strategies for pumped hydroelectric energy storage (PHES) utilising electricity price arbitrage". Energy Policy. 2011. [9] Deane, J.P., Ó Gallachóir, B.P., McKeogh, E.J.: "Techno-economic review of existing and new pumped hydro energy storage plant". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2010. [10] Cuesta, L., Vallarino, E. Aprovechamientos hidroeléctricos. Tomo II. Colegio de ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. 2000. [11] IBERDROLA Noticias. "Iberdrola construye la mayor central hidroeléctrica de bombeo de Europa: La Muela II". www.iberdrola.es [12] Aguas Júcar, S.A.: "Infraestructura para el aprovechamiento hidroeléctrico en el embalse de cortes II”. Enero 2007. [13] Sancho,T., Lanza, C.: "El desarrollo de aprovechamientos integrados hidro-eólicos en el contexto del mercado ibérico de electricidad (MIBEL). Consideraciones técnicas, económicas y ambientales". 2009. [14] Matres, L.: "Optimización conjunta del bombeo y de la energía eólica en el contexto del Mercado Eléctrico". Proyecto fin de carrera (ICAI), Universidad pontificia Comillas de Madrid. Junio 2006. [15] Yusta, J.M. "Contratación del suministro eléctrico". Enero 2010. [16] Operador del Mercado Ibérico de Energía - Polo Español, S.A. (OMEL): www.omel.es [17] Comisión Nacional de Energía: www.cne.es Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles Navarro Uriel, Marta 33 [18] BOE. Ministerio de industria, turismo y comercio. Orden ITC/1723/2009, revisión de los peajes de acceso y las tarifas y primas de determinadas instalaciones de régimen especial. 2009 [19] BOE. Ministerio de industria, turismo y comercio. ITC/3519/2009, revisión de los peajes de acceso y las tarifas y primas de determinadas instalaciones de régimen especial. 2010 [20] BOE. Ministerio de industria, turismo y comercio. Orden ITC/688/2011, revisión de los peajes de acceso y las tarifas y primas de determinadas instalaciones de régimen especial. 2011 [21] Sistema Automático de Información Hidrológica de la Cuenca Hidrográfica del Ebro: http://195.55.247.237/saihebro/index.php?url=/principal [22] UTE red biológica Ebro, Confederación hidrográfica del Ebro. "Informe final embalses". Diciembre 2009. [23] IDAE. "Plan de Energías Renovables 2011 - 2020". Madrid 2011.