Recordatorio - Reservas Primarias & Secundarias - ¿Qué es eso 🧐

La estabilidad de la red eléctrica nacional es esencial para que la electricidad siga disponible de manera continua en los hogares, empresas e infraestructuras públicas. Para mantener esta estabilidad, es crucial gestionar de manera precisa el equilibrio entre la producción y el consumo de electricidad. Este equilibrio se regula gracias a mecanismos llamados reservas de frecuencia, entre las cuales se encuentran las reservas primaria y secundaria.

A continuación, un breve recordatorio de estos conceptos ⤵️

Reserva Primaria (FCR)

La reserva primaria, también conocida como Frequency Containment Reserve (FCR), es la primera línea de defensa de la red eléctrica contra perturbaciones inmediatas. Imagínese que la demanda de electricidad aumenta repentinamente porque todos encienden su calefacción durante una ola de frío. La reserva primaria interviene para compensar este aumento de la demanda en cuestión de segundos a minutos. Funciona un poco como un airbag en un coche: se despliega rápidamente para proteger el sistema contra los choques repentinos. Se utilizan fuentes de energía que pueden responder muy rápido, como algunas plantas eléctricas o instalaciones de almacenamiento de energía, para esta tarea.

Reserva Secundaria (FFR)

La reserva secundaria, o Frequency Firming Reserve (FFR), entra en juego justo después de la reserva primaria. Actúa durante un período un poco más largo, generalmente de unos minutos a una hora, para estabilizar aún más la red después de los primeros ajustes de la reserva primaria. Se puede comparar con ajustar su velocidad en la autopista después de haber evitado un obstáculo: se trata de mantener una conducción estable y segura después del primer reflejo de evasión. Esta reserva es proporcionada por fuentes de energía que pueden mantener su producción o absorción de energía durante un período prolongado, lo que permite que la red se "firme" hacia una nueva normalidad.

Estas reservas son cruciales por dos razones principales ⤵️

1. Primero, garantizan que la electricidad siga estando disponible constantemente, incluso en caso de fluctuaciones imprevistas de la demanda o la oferta.
2. En segundo lugar, ayudan a prevenir los cortes de energía que podrían ocurrir si estas fluctuaciones no se gestionan adecuadamente. Al mantener estable la frecuencia de la red (la velocidad a la que se produce y consume electricidad), estas reservas contribuyen a la seguridad y eficiencia del sistema eléctrico nacional.

¿Pueden las plantas nucleares desempeñar este papel? 🧐

Las plantas nucleares tenían el inconveniente de no poder modular su potencia de manera eficiente para responder a las necesidades de las reservas primaria y secundaria. Esta afirmación podría haber sido cierta en el pasado, pero ya no lo es hoy en día.

Las plantas nucleares pueden desempeñar, en su mayoría, este papel dentro de nuestra mezcla energética. De hecho, disponen de una reserva primaria (RP) considerable y capaz de reaccionar instantáneamente. A diferencia de lo que mencioné antes, una unidad nuclear, cuando se le solicita, puede aumentar su producción mucho más allá de los 27 MW de reserva primaria que normalmente solicita el operador de la red (RTE). De hecho, es común que esta producción pueda alcanzar hasta 100 MW en pocos segundos, lo que es comparativamente superior a otras fuentes de energía.

Tasa de Modulación: Los reactores nucleares pueden modular típicamente su producción entre el 50% y el 100% de su potencia nominal. Según la Agencia Internacional de Energía Atómica (AIEA), la modulación se puede realizar a una tasa de aproximadamente el 5% de la potencia nominal por minuto para los reactores diseñados para el seguimiento de carga (los EPR mencionados más abajo), lo que es comparable con algunas plantas de combustibles fósiles. Por ejemplo, para un reactor de 1300 MW, esto significa una capacidad de modular hasta 65 MW por minuto.

Los reactores nucleares modernos, especialmente aquellos que utilizan tecnologías avanzadas como el EPR (Reactor Europeo Presurizado), pueden modular su potencia del 20% al 100% de su capacidad nominal. Esta modulación, como se mencionó anteriormente, puede realizarse a una tasa de aproximadamente el 5% de la capacidad nominal por minuto. Sin embargo, los reactores más antiguos y aquellos diseñados para operaciones "en base load" pueden tener tasas de modulación más lentas.

Tiempo de Respuesta para la Reserva Primaria: Según la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE) y la Agencia de Energía Nuclear (AEN), algunos reactores nucleares pueden aumentar efectivamente su producción rápidamente para contribuir a la reserva primaria. Por ejemplo, los reactores pueden configurarse para aumentar su potencia en 100 MW en pocos segundos a minutos, según los requisitos y la configuración específica del reactor.

Entonces, sí, en teoría, tenemos las capacidades nucleares para cubrir una parte significativa (o incluso la totalidad) de la necesidad de las reservas primaria & secundaria.

"En teoría" porque los reactores nucleares diseñados para "base load" requieren adaptaciones costosas que no se realizarán de la noche a la mañana. Sin embargo, es importante señalar que se han realizado adaptaciones exitosas por parte de EDF. Además, con los 10 EPR prometidos por el gobierno (si realmente se construyen), ¿se seguirá planteando esta pregunta en ese momento?

Hagamos un vistazo rápido a la situación del parque nuclear francés ⤵️

Situación actual del parque nuclear francés ☢️

Actualmente, Francia tiene un reactor EPR en funcionamiento (Reactor Presurizado Europeo), ubicado en Flamanville (Flamanville 3). En cuanto a los reactores diseñados para funcionar en carga base, la mayoría del parque nuclear francés está destinado a operar como centrales de carga base. Esto incluye los reactores más antiguos, diseñados principalmente para funcionar de manera continua a plena potencia para proporcionar una fuente estable de electricidad. Francia tiene un total de 56 reactores nucleares distribuidos en 18 sitios de producción, y aparte del diseño EPR, la mayoría son diseños más antiguos como los reactores de agua presurizada (PWR), diseñados para operaciones de carga base.

En Francia, la capacidad de los reactores nucleares para modular su producción para satisfacer las necesidades de las reservas primaria y secundaria varía según el diseño y la tecnología específica de cada reactor. Históricamente, los reactores nucleares se utilizaban principalmente para operaciones de carga base, funcionando a potencia constante debido a su alta eficiencia energética a plena carga. Sin embargo, con la evolución de las necesidades de la red eléctrica y la creciente integración de energías renovables, una parte del parque nuclear francés ha sido adaptada para permitir cierta flexibilidad operativa.

Adaptación de reactores para la modulación 🔋

EDF ha iniciado programas para adaptar algunos de sus reactores para que puedan modular su potencia y así participar en las reservas de frecuencia:

• Reactores N4 (1.450 MW) y algunos reactores de 1.300 MW: Estos reactores han sido adaptados para ofrecer una modulación más flexible, pudiendo variar su potencia de forma relativamente rápida para responder a las demandas de reserva primaria y secundaria. La modulación puede incluir cambios de potencia del orden del 5% de su capacidad nominal por minuto, lo que permite ajustes bastante rápidos para contribuir a las reservas de frecuencia.
• Reactores de la serie 900 MW: También se están haciendo esfuerzos para aumentar la flexibilidad de estos reactores más antiguos, aunque su capacidad para modular rápidamente generalmente es inferior a la de las unidades más grandes y más nuevas.

Una ecuación financiera complicada 🪙

Aun así, la ecuación financiera es complicada de resolver ⤵️

Recientemente, con el aumento de la producción de energías renovables (ER) como la eólica y la fotovoltaica, que tienen acceso prioritario a la red, la modulación se ha vuelto necesaria para evitar la sobreproducción y la saturación de la red durante los picos de producción de ER y la baja demanda. Hoy en día, alrededor de la mitad de los reactores en Francia (28 de 56) participan en este seguimiento de carga, frente al 20% en 2012.

Sin embargo, la modulación tiene costos. Los reactores nucleares están diseñados para operar de manera óptima a plena capacidad, ya que el 90% de sus costos son fijos. Cuando no funcionan a plena potencia, el costo de producción por unidad aumenta mientras que los ingresos disminuyen. Para un reactor que modula con un factor de disponibilidad del 75% en lugar del 90%, esto representa una pérdida significativa de producción, lo que podría generar un importante déficit dado los precios actuales del mercado eléctrico.

Un ejemplo reciente ilustra este problema, basta con volver a diciembre de 2022:

• El 12 de diciembre, después de una ola de frío, el parque nuclear fue utilizado a su capacidad máxima disponible de 41 GW para responder a una demanda de más de 82 GW, pero la energía eólica, que tuvo dificultades, solo proporcionó 6 GW de una capacidad total de 19 GW.
• El 31 de diciembre, frente a una demanda muy limitada de 49 GW, la energía eólica, beneficiándose de una depresión invernal, alcanzó los 16 GW. Como resultado, el parque nuclear, que EDF había aumentado a 45 GW, se volvió sobredimensionado, y más allá de la modulación, incluso tuvimos que detener más de diez reactores y retrasar los arranques para reducir la potencia a 27 MW.

Lo que comúnmente se denomina "complementariedad entre la energía nuclear y las energías renovables no controlables" es en realidad unilateral debido a la prioridad otorgada a las energías renovables en la red. Cuando estas están disponibles, las centrales nucleares deben ajustar su producción. En cambio, en ausencia de energías renovables, la nuclear, a veces respaldada por plantas térmicas, debe responder sola a la demanda energética.

Este problema es profundo, y nuestros líderes tomarán decisiones sobre esta complementividad que no está al servicio de nuestro parque nuclear ⤵️

Impactos Técnicos

• Desgaste acelerado: Los reactores, especialmente los construidos entre 1978 y 1999, no fueron diseñados para la modulación frecuente. El aumento de la modulación provoca un mayor desgaste mecánico, aumentando los incidentes fortuitos en un 25% y potencialmente causando daños estructurales como erosión y desequilibrios químicos en los núcleos de los reactores. Esta situación acelera el envejecimiento del circuito primario, especialmente si se supera el ritmo de dos movimientos por día.
• Comparación internacional: Como señaló la Autoridad de Seguridad Nuclear (ASN), estos reactores sufren una mayor solicitação mecánica, limitando su vida útil y seguridad en comparación con los reactores estadounidenses que operan bajo regímenes menos variables.

Consecuencias Económicas

• Pérdida financiera: La modulación reduce el factor de disponibilidad (Kd) del 90% al 75%, lo que provoca una pérdida de producción de aproximadamente 1,3 TWh por GW. Esto representa una pérdida de ingresos de 130 a 200 millones de euros por GW, lo que, para un parque de 61 GW, equivale a una pérdida anual de ingresos entre 7,9 y 12,2 mil millones de euros.
• Costos aumentados: El costo de producción unitario también aumenta, pasando de 50 €/MWh a unos 60 €/MWh para un Kd del 75%, lo que genera un sobrecosto de producción de 66 millones de euros por GW, es decir, 4 mil millones de euros para todo el parque.

¿Es el almacenamiento en baterías (BESS) una solución?

Para evaluar si el almacenamiento en baterías (Battery Energy Storage Systems, BESS) es una solución viable para compensar las pérdidas causadas por la inestabilidad de las energías renovables no controlables (ENR) en Francia, primero debemos determinar la capacidad total de las ENR relevantes y luego calcular el costo asociado a la instalación de capacidades de almacenamiento adecuadas.

Capacidad instalada de ENR en Francia

La capacidad total instalada de energías renovables no controlables en Francia a finales de 2022 se desglosa como sigue:

• Viento: 20,9 gigavatios (GW), incluyendo 20,4 GW de energía eólica terrestre y 0,5 GW de energía eólica marina (Statistiques du Développement Durable).
• Fotovoltaica: 11,6 GW de capacidad instalada hasta 2023 (Lendopolis - Official Blog of Lendopolis).

Total : 20,9 GW+11,6 GW=32,5 GW

Costo del almacenamiento en baterías

Para calcular el costo del almacenamiento necesario para estabilizar esta capacidad, primero debemos estimar la capacidad de almacenamiento requerida. Supongamos que queremos cubrir alrededor del 10% de esta capacidad durante una hora para paliar las fluctuaciones a corto plazo (lo cual es una suposición conservadora para este tipo de cálculo). Esto requiere una capacidad de almacenamiento de:

Capacidad de almacenamiento necesaria=32,5 GW×10%=3,25 GWh

El costo del almacenamiento puede variar ampliamente dependiendo de la tecnología y las especificaciones, pero tomando un rango realista de precios de 200 a 400 € por kWh instalado, el costo total sería:

• Costo mínimo : 3,25×106 kWh×200 €/kWh=650 millones €

=650 millones €

• Costo máximo : 3,25×106 kWh×400 €/kWh=1,3 mil millones €

=1,3 mil millones €

Comparación de costos

Las pérdidas financieras causadas por la inestabilidad de las ENR, estimadas entre 7,9 y 12,2 mil millones de euros, deben ponerse en perspectiva con el costo de instalación de baterías:

• Costo de baterías : entre 570 millones y 1,14 mil millones de euros para una capacidad de almacenamiento de 2,85 GWh.
• Pérdidas por inestabilidad : entre 7,9 y 12,2 mil millones de euros.

Estos cálculos sugieren que la integración de soluciones de almacenamiento podría reducir significativamente los costos asociados con la gestión de la variabilidad de las energías renovables, haciendo que la red sea más estable y predecible, mientras ofrece un retorno sobre la inversión potencialmente favorable dado los ahorros en las pérdidas evitadas.

Me basé en una solución que evita una inestabilidad de la red durante 1 hora sobre toda la capacidad del parque de ENR no controlables. Aunque seguimos en estimaciones, sobre grandes volúmenes, estos cálculos demuestran que es interesante llevarlo más allá. El costo de las soluciones de almacenamiento continuará disminuyendo a medida que se industrializa este sector y aumenta la demanda que se dispara.

Conclusión - Los desafíos son fundamentales

En conclusión, probablemente por eso Jean-François Noal explicaba que la modulación de las centrales nucleares es un desafío causado por el avance de las ER en nuestra mezcla energética. Sí, las centrales nucleares pueden modular (y lo hacen) su producción rápidamente para responder a la urgencia de las reservas primarias y secundarias.

Pero desde un punto de vista financiero, no deberían ser utilizadas para este fin (al menos no con tanta frecuencia). La prioridad dada a las ER que son inestables en su inyección en la red interrumpe la organización actual de nuestra mezcla energética y pone en peligro el desarrollo de la energía nuclear. Sin embargo, el gobierno ha establecido una política ambiciosa para el desarrollo del parque EDF.

El desarrollo de las ER en nuestro país, tal como está concebido, hace que la ecuación financiera sea insolvente en su estado actual. No vamos a poder aumentar la vida útil de nuestro parque nuclear y encontrar una rentabilidad financiera sostenible para EDF. El rápido y simultáneo desarrollo de las energías renovables no controlables y la nuclear aumentará inevitablemente la necesidad de modular la producción de energía. Durante ciertos períodos, como en el verano o los fines de semana, esto podría incluso requerir paradas completas de los reactores nucleares. Por lo tanto, nuestra producción no está completamente asegurada, al menos no en su continuidad.

Esta conclusión plantea muchas preguntas emocionantes sobre las decisiones estratégicas en política energética. ¿Debemos retirar la prioridad en la red que actualmente se da a las ER? ¿Dársela a la hidroeléctrica (Pumpspeicher) y luego a la nuclear? ¿Debemos moderar el desarrollo de las ER no controlables? ¿O asociarlas con nuevas soluciones de almacenamiento de energía como en países sin capacidades nucleares?