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Factor de capacidad

Factores de capacidad mensuales de la EIA de EE. UU. 2011-2013 El factor de capacidad neta es la relación adimensional entre la producción real de energía eléctrica durante un p...

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Factores de capacidad mensuales de la EIA de EE. UU. 2011-2013

El factor de capacidad neta es la relación adimensional entre la producción real de energía eléctrica durante un período determinado y la producción máxima teórica de energía eléctrica durante ese mismo período. [ 1 ] La producción máxima teórica de energía de una instalación determinada se define como su funcionamiento continuo a plena capacidad nominal durante el período pertinente. El factor de capacidad puede calcularse para cualquier instalación generadora de electricidad, como una central eléctrica que consume combustible o una que utiliza energía renovable , como la eólica, la solar o las hidroeléctricas. También puede definirse el factor de capacidad promedio para cualquier clase de dichas instalaciones y utilizarse para comparar diferentes tipos de producción de electricidad.

La producción real de energía durante ese período y el factor de capacidad varían considerablemente en función de diversos factores. El factor de capacidad nunca puede superar el factor de disponibilidad , o tiempo de actividad, durante dicho período. El tiempo de actividad puede verse reducido, por ejemplo, debido a problemas de fiabilidad y mantenimiento, programado o no programado. Otros factores incluyen el diseño de la instalación, su ubicación, el tipo de producción de electricidad y, con ello, el combustible utilizado o, en el caso de las energías renovables, las condiciones meteorológicas locales. Además, el factor de capacidad puede verse afectado por restricciones regulatorias y fuerzas del mercado , lo que podría repercutir tanto en la compra de combustible como en la venta de electricidad.

El factor de capacidad se suele calcular en un periodo anual, promediando la mayoría de las fluctuaciones temporales. Sin embargo, también se puede calcular mensualmente para comprender mejor las fluctuaciones estacionales. Asimismo, se puede calcular durante la vida útil de la fuente de energía, tanto durante su funcionamiento como después de su desmantelamiento. El factor de capacidad también se puede expresar y convertir a horas de plena carga .

Fórmula

doF=mitPAGnorte×t{\displaystyle \mathrm {CF} ={\frac {E_{t}}{P_{n}\times t}}}

dónde:

Si se utilizan unidades consistentes para la energía y la potencia —como megavatios-hora (MWh) para la energía y megavatios (MW) para la potencia— y el tiempo se expresa en horas, las unidades se "cancelan". Por ejemplo, si una  planta de 1 MW produce 0,5  MWh en una hora, su factor de capacidad es:

doF=0,5METROWh1METROW×1h=0,5=50%{\displaystyle \mathrm {CF} ={\frac {0.5\,\mathrm {MWh} }{1\,\mathrm {MW} \times 1\,\mathrm {h} }}=0.5=50\%}

Cálculos de ejemplo

central nuclear

Factores de capacidad de energía nuclear a nivel mundial

Las centrales nucleares se encuentran en el extremo superior del rango de factores de capacidad, idealmente reducidos solo por el factor de disponibilidad , es decir, mantenimiento y recarga de combustible. La central nuclear más grande de EE. UU., la central nuclear de Palo Verde , tiene entre sus tres reactores una capacidad nominal de3942  MW . En 2010 su generación anual fue31 200 000  MWh , [ 2 ] lo que conduce a un factor de capacidad de 31200000 MW⋅h(365 días)×(24 horas/día)×(3942 MW)=0,904=90.4%.{\displaystyle {\frac {31\,200\,000\ {\text{MW}}{\cdot }{\text{h}}}{(365\ {\text{días}})\times (24\ {\text{horas/día}})\times (3942\ {\text{MW}})}}=0.904=90.4\%.}

Cada uno de los tres reactores de Palo Verde se recarga cada 18 meses, con una recarga cada primavera y otoño. En 2014, una recarga se completó en un tiempo récord de 28 días, [ 3 ] en comparación con los 35 días de inactividad a los que corresponde el factor de capacidad de 2010.

En 2019, Prairie Island 1 fue la unidad estadounidense con el factor más alto y de hecho alcanzó el 104,4%. [ 4 ]

parque eólico

El parque eólico marino danés Horns Rev 2 tiene una capacidad nominal de 209,3  MW. A partir de enero de 2017ha producido 6416  GWh desde su puesta en marcha hace 7  años, es decir, una producción anual promedio de 875  GWh/año y un factor de capacidad de [ 5 ].875000 MW⋅h(365 días)×(24 horas/día)×(209.3 MW)=0,477=47.7%.{\displaystyle {\frac {875\,000\ {\text{MW}}{\cdot }{\text{h}}}{(365\ {\text{días}})\times (24\ {\text{horas/día}})\times (209.3\ {\text{MW}})}}=0.477=47.7\%.}

Los emplazamientos con factores de capacidad más bajos pueden considerarse viables para parques eólicos, por ejemplo, el parque eólico terrestre Fosen Vind de  1 GW , que a partir de 2017Se encuentra en construcción en Noruega y tiene un factor de capacidad proyectado del 39 %. Los cálculos de viabilidad pueden verse afectados por la estacionalidad. Por ejemplo, en Finlandia, el factor de capacidad durante los fríos meses de invierno es más del doble que en julio. [ 6 ] Si bien el promedio anual en Finlandia es del 29,5 %, [ 6 ] la alta demanda de energía para calefacción se correlaciona con el mayor factor de capacidad durante el invierno.

Algunos parques eólicos terrestres pueden alcanzar factores de capacidad superiores al 60%, por ejemplo, la  planta Eolo de 44 MW en Nicaragua tuvo una generación neta de 232,132  GWh en 2015, equivalente a un factor de capacidad del 60,2%, [ 7 ] mientras que los factores de capacidad anuales de Estados Unidos entre 2013 y 2016 oscilaron entre el 32,2% y el 34,7%. [ 8 ]

Dado que el factor de capacidad de una turbina eólica mide la producción real en relación con la producción posible, no guarda relación con el coeficiente de Betz de 16/27 ≈ 59,3 % , que limita la producción en relación con la energía disponible en el viento.

presa hidroeléctrica

A partir de 2017La presa de las Tres Gargantas en China, con una capacidad nominal de 22.500  MW, es la central eléctrica más grande del mundo por capacidad instalada. En 2015 generó 87  TWh, para un factor de capacidad de 87000000 MW⋅h(365 días)×(24 horas/día)×(22500 MW)=0,45=45%.{\displaystyle {\frac {87\,000\,000\ {\text{MW}}{\cdot }{\text{h}}}{(365\ {\text{días}})\times (24\ {\text{horas/día}})\times (22\,500\ {\text{MW}})}}=0.45=45\%.}

La presa Hoover tiene una capacidad nominal de 2080 MW [ 9 ] y una generación anual promedio de 4,2  TW·h. [ 9 ] (La generación anual ha variado entre un máximo de 10,348  TW·h en 1984 y un mínimo de 2,648  TW·h en 1956. [ 9 ] ) Tomando la cifra promedio para la generación anual se obtiene un factor de capacidad de 4200000 MW⋅h(365 días)×(24 horas/día)×(2080 MW)=0,23=23%.{\displaystyle {\frac {4\,200\,000\ {\text{MW}}{\cdot }{\text{h}}}{(365\ {\mbox{días}})\times (24\ {\mbox{horas/día}})\times (2080\ {\mbox{MW}})}}=0.23=23\%.}

Central eléctrica fotovoltaica

En el rango bajo de factores de capacidad se encuentra la central fotovoltaica , que suministra energía a la red eléctrica a partir de un sistema fotovoltaico (sistema FV) a gran escala. Una limitación inherente a su factor de capacidad proviene de su necesidad de luz solar , preferiblemente con un sol sin obstrucciones por nubes, humo o contaminación , sombra de árboles y estructuras de edificios. Dado que la cantidad de luz solar varía tanto con la hora del día como con las estaciones del año, el factor de capacidad se calcula generalmente de forma anual. La cantidad de luz solar disponible está determinada principalmente por la latitud de la instalación y la nubosidad local. La producción real también se ve influenciada por factores locales como el polvo y la temperatura ambiente, que idealmente deberían ser bajos. Como en cualquier central eléctrica, la producción máxima de energía posible es la capacidad nominal multiplicada por el número de horas en un año, mientras que la producción real es la cantidad de electricidad suministrada anualmente a la red.

Por ejemplo, el proyecto solar Agua Caliente , ubicado en Arizona cerca del paralelo 33 y premiado por su excelencia en energía renovable, tiene una capacidad nominal de 290  MW y una producción anual promedio real de 740  GWh/año. Su factor de capacidad es, por lo tanto, 740000 MW⋅h(365 días)×(24 horas/día)×(290 MW)=0,291=29.1%.{\displaystyle {\frac {740\,000\ {\text{MW}}{\cdot }{\text{h}}}{(365\ {\text{días}})\times (24\ {\text{horas/día}})\times (290\ {\text{MW}})}}=0.291=29.1\%.}

El parque energético de Lauingen, situado en Baviera , cerca del paralelo 49, alcanza un factor de capacidad significativamente menor . Con una capacidad nominal de 25,7  MW y una producción anual media real de 26,98  GWh/año, tiene un factor de capacidad del 12,0 %.

Determinantes del factor de capacidad de una planta

Existen varias razones por las que una planta podría tener un factor de capacidad inferior al 100%. Estas incluyen limitaciones técnicas, como la disponibilidad operativa.Ao{\textstyle A_{o}}de la planta (conocido como factor de disponibilidad para los generadores de electricidad), razones económicas y disponibilidad de un recurso energético.

Una planta puede estar fuera de servicio o funcionando a una producción reducida durante parte del tiempo debido a fallas en los equipos o al mantenimiento rutinario. Esto explica la mayor parte de la capacidad no utilizada de las centrales eléctricas de carga base . Las centrales de carga base suelen tener bajos costos por unidad de electricidad porque están diseñadas para una máxima eficiencia y funcionan continuamente a alta producción. Las centrales geotérmicas , nucleares , de carbón y de bioenergía que queman materia sólida casi siempre funcionan como centrales de carga base, ya que puede resultar difícil ajustarlas a la demanda.

Una planta también puede ver reducida su producción o quedar inactiva intencionalmente porque no se necesita electricidad o porque el precio de la electricidad es demasiado bajo para que la producción sea rentable. Esto explica la mayor parte de la capacidad no utilizada de las centrales eléctricas de punta y las centrales de seguimiento de carga . Las centrales de punta pueden operar solo unas pocas horas al año o hasta varias horas al día. Muchas otras centrales eléctricas operan solo en ciertos momentos del día o del año debido a la variación de las cargas y los precios de la electricidad. Si una planta solo se necesita durante el día, por ejemplo, incluso si opera a plena potencia de 8 a. m. a 8 p. m. todos los días (12 horas) durante todo el año, solo tendría un factor de capacidad del 50 %. Debido a los bajos factores de capacidad, la electricidad de las centrales eléctricas de punta es relativamente cara porque la generación limitada tiene que cubrir los costos fijos de la planta.

Una tercera razón es que una planta puede no tener el combustible disponible para operar todo el tiempo. Esto puede aplicarse a las centrales generadoras de combustibles fósiles con suministros de combustible restringidos, pero sobre todo se aplica a los recursos renovables intermitentes. [ 10 ] Los sistemas solares fotovoltaicos y las turbinas eólicas tienen un factor de capacidad limitado por la disponibilidad de su "combustible", la luz solar y el viento respectivamente. Una central hidroeléctrica puede tener un factor de capacidad inferior al 100% debido a la restricción o escasez de agua, o su producción puede regularse para ajustarse a la demanda energética actual, conservando así el agua almacenada para su uso posterior.

Los gobiernos difieren en su disposición a aceptar los riesgos de cortes de energía y en su falta de resiliencia ante desastres naturales y ataques militares a las redes eléctricas. Ejemplos de eventos históricos que impactaron la resiliencia de la red son la campaña aérea de la Guerra del Golfo de 1991 contra infraestructura civil , el ciberataque a la red eléctrica de Ucrania en 2015 , la crisis energética de Texas en 2021 y los ataques rusos contra infraestructura ucraniana (2022-presente) . Una baja tolerancia al riesgo puede requerir que las redes eléctricas se sobredimensionen significativamente para mitigar los costos potenciales de las interrupciones y cortes de energía, lo que afecta, según la tecnología, la cantidad de reducción de generación necesaria en condiciones normales de la red.

Otras razones por las que una central eléctrica puede no tener un factor de capacidad del 100% incluyen restricciones o limitaciones en los permisos de emisiones atmosféricas y limitaciones en la transmisión que obligan a la planta a reducir su producción.

Factor de capacidad de la energía renovable

Factores de capacidad mensuales de la EIA de EE. UU. para energías renovables, 2011-2013

Para las fuentes de energía renovables como la energía solar , eólica e hidroeléctrica , la principal razón de la reducción del factor de capacidad suele ser la disponibilidad de la fuente de energía. La planta puede ser capaz de producir electricidad, pero su "combustible" ( viento , luz solar o agua ) puede no estar disponible. La producción de una central hidroeléctrica también puede verse afectada por la necesidad de mantener el nivel del agua dentro de los límites adecuados y de proporcionar agua para los peces río abajo. Sin embargo, las centrales solares, eólicas e hidroeléctricas tienen altos factores de disponibilidad , por lo que, cuando disponen de combustible, casi siempre pueden producir electricidad. [ 11 ]

Cuando las centrales hidroeléctricas disponen de agua, también resultan útiles para el seguimiento de la demanda, gracias a su alta capacidad de gestión . Los operadores de una central hidroeléctrica típica pueden ponerla en marcha desde su estado de parada hasta su plena potencia en tan solo unos minutos.

Los parques eólicos son variables debido a la variabilidad natural del viento. Para un parque eólico, el factor de capacidad está determinado por la disponibilidad de viento, el área barrida por la turbina y el tamaño del generador . La capacidad de la línea de transmisión y la demanda de electricidad también afectan el factor de capacidad. Los factores de capacidad típicos de los parques eólicos actuales están entre el 25 y el 45 %. [ 12 ] En el Reino Unido, durante el quinquenio de 2011 a 2019, el factor de capacidad anual para la energía eólica superó el 30 %. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]

La energía solar es variable debido a la rotación diaria de la Tierra, los cambios estacionales y la nubosidad. Por ejemplo, el Distrito de Servicios Públicos Municipales de Sacramento observó un factor de capacidad del 15 % en 2005. [ 17 ] Sin embargo, según el programa SolarPACES de la Agencia Internacional de Energía (AIE), las centrales solares diseñadas para la generación exclusivamente solar se ajustan bien a las cargas máximas del mediodía de verano en áreas con importantes demandas de refrigeración, como España o el suroeste de Estados Unidos , [ 18 ] aunque en algunos lugares la energía solar fotovoltaica no reduce la necesidad de actualizar la red de generación dado que la demanda máxima de aire acondicionado suele producirse al final de la tarde o al principio de la noche, cuando la producción solar es menor. [ 19 ] [ 20 ] SolarPACES afirma que, mediante el uso de sistemas de almacenamiento de energía térmica, los períodos de funcionamiento de las centrales termosolares (CSP) pueden extenderse para que sean gestionables (seguimiento de carga). [ 18 ]

La energía geotérmica tiene un factor de capacidad superior al de muchas otras fuentes de energía, y los recursos geotérmicos generalmente están disponibles en todo momento.

Factores de capacidad por fuente de energía

Mundial

  • Energía nuclear 88,7% (promedio de las centrales de EE. UU. entre 2006 y 2012). [ 21 ]
  • La energía hidroeléctrica, con un promedio mundial del 44%, [ 22 ] varía entre el 10% y el 99% dependiendo de la disponibilidad de agua (con o sin regulación mediante represas de almacenamiento).
  • Parques eólicos 21–52% (a partir de 2022). [ 23 ]
  • Energía solar CSP con almacenamiento y respaldo de gas natural en España 63%, [ 24 ] California 33%. [ 25 ]
  • Energía solar fotovoltaica en Alemania 10%, Arizona 19%, [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] Massachusetts 13,35% (promedio de 8 años a julio de 2018). [ 29 ]

Estados Unidos

Según la Administración de Información Energética de EE. UU. (EIA), de 2013 a 2017 los factores de capacidad de los generadores a escala de servicios públicos fueron los siguientes: [ 30 ]

Sin embargo, estos valores suelen variar significativamente de un mes a otro.

Reino Unido

El Departamento de Energía y Cambio Climático recopiló las siguientes cifras sobre los factores de capacidad de varios tipos de plantas en la red del Reino Unido: [ 31 ] [ 13 ] [ 32 ] [ 14 ] [ 33 ] [ 15 ] [ 34 ] [ 16 ] [ 35 ] [ 36 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Factor de capacidad (neta)" . nrc.gov . Consultado el 11 de febrero de 2017 .
  2. ↑ "Perfil nuclear de Arizona 2010" . eia.gov . Consultado el 11 de febrero de 2017 .
  3. ↑ "La unidad 2 de Palo Verde se clasificó como la mejor generadora de EE. UU. en 2013" . Arizona Public Service . 10 de marzo de 2014. Archivado del original el 20 de abril de 2015. Consultado el 11 de febrero de 2017 .
  4. ↑ "Base de datos de reactores. Tabla de factores de carga máximos" . Asociación Nuclear Mundial . 15 de agosto de 2020.
  5. ↑ Andrew (26 de enero de 2017). "Factores de capacidad en parques eólicos marinos daneses" . energynumbers.info . Archivado del original el 29 de enero de 2017. Consultado el 11 de febrero de 2017 .
  6. 1 2 Huotari, Jussi (2020). "Eficiencia y estacionalidad de la generación de energía eólica" . Recuperado el 11 de diciembre de 2020 .
  7. ↑ «Centro Nacional de Despacho de Carga» . Archivado desde el original el 29 de septiembre de 2022 . Consultado el 29 de julio de 2016 .
  8. ↑ "Datos de electricidad" . EIA . Consultado el 10 de abril de 2017 .
  9. 1 2 3 "Presa Hoover: Preguntas y respuestas frecuentes" . Oficina de Recuperación de los Estados Unidos . Febrero de 2009. Archivado del original el 23 de marzo de 2010. Consultado el 7 de agosto de 2010 .
  10. ↑ "Los factores de capacidad de los generadores eléctricos varían ampliamente en todo el mundo - Hoy en Energía - Administración de Información Energética de EE. UU. (EIA)" . www.eia.gov . Consultado el 13 de abril de 2017 .
  11. ↑ ¿En qué se diferencia la producción de energía de una turbina eólica de su producción de electricidad? Archivado el 13 de marzo de 2008 en Wayback Machine .
  12. ↑ Handleman, Clayton (4 de agosto de 2015). "La energía eólica podría reemplazar al carbón como principal fuente de generación en EE. UU., según sugieren nuevos datos del NREL" . cleantechnica.com . Consultado el 11 de febrero de 2017 .
  13. 1 2 "Compendio de estadísticas energéticas del Reino Unido (DUKES) de 2012: capítulo 6 - Fuentes de energía renovables" (PDF) . decc.gov.uk. Archivado del original (PDF) el 30 de octubre de 2012. Recuperado el 20 de marzo de 2018 .
  14. 1 2 "Compendio de estadísticas energéticas del Reino Unido (DUKES) de 2013: capítulo 6 - Fuentes de energía renovables" (PDF) . www.gov.uk. Consultado el 20 de marzo de 2018 .
  15. 1 2 "Compendio de estadísticas energéticas del Reino Unido (DUKES) de 2014: capítulo 6 - Fuentes de energía renovables" (PDF) . www.gov.uk. Consultado el 20 de marzo de 2018 .
  16. 1 2 "Compendio de estadísticas energéticas del Reino Unido (DUKES) de 2016: capítulo 6 - Fuentes de energía renovables" (PDF) . www.gov.uk. Consultado el 20 de marzo de 2018 .
  17. ↑ Tom Blees (2008). Receta para el planeta . BookSurge. ISBN 978-1-4196-5582-1.
  18. 1 2 Thomas R. Mancini y Michael Geyer (2006). España es pionera en la energía térmica solar de torre conectada a la red. Archivado el 27 de septiembre de 2018 en Wayback Machine SolarPACES, OCDE/AIE, pág. 3.
  19. ↑ Muriel Watt Valor de la energía fotovoltaica en los picos de verano Archivado el 17 de febrero de 2011 en Wayback Machine
  20. ↑ Gobierno de Australia Meridional (2007), págs. 13 y 14. Mecanismo de alimentación de Australia Meridional para instalaciones solares fotovoltaicas residenciales a pequeña escala. Archivado el 5 de diciembre de 2010 en Wayback Machine .
  21. ↑ "Factores de capacidad nuclear de Estados Unidos" . Instituto de Energía Nuclear . Consultado el 26 de octubre de 2013 .
  22. ↑ Energía hidroeléctrica , pág. 441.
  23. ↑ "Ficha informativa sobre energía eólica" . Centro para Sistemas Sostenibles . Consultado el 23 de septiembre de 2024 .
  24. ↑ "Planta Termosolar Gemasolar de Torresol Energy" . Archivado del original el 20 de febrero de 2014. Consultado el 12 de marzo de 2014 .
  25. ↑ "Central de generación de energía solar Ivanpah" . Laboratorio Nacional de Energías Renovables . Archivado del original el 12 de octubre de 2015. Consultado el 27 de agosto de 2012 .
  26. ↑ "Bajos factores de capacidad: desafíos para una transición energética baja en carbono" . The Energy Collective . 15 de octubre de 2013. Consultado el 20 de marzo de 2018 .
  27. ↑ Laumer, John (junio de 2008). "Energía solar versus energía eólica: ¿Cuál tiene la salida de energía más estable?" . Treehugger . Archivado del original el 20 de octubre de 2008. Recuperado el 16 de octubre de 2008 .
  28. ↑ Ragnarsson, Ladislaus; Rybach (11 de febrero de 2008). O. Hohmeyer y T. Trittin (eds.). El posible papel y la contribución de la energía geotérmica a la mitigación del cambio climático (PDF) . Reunión preliminar del IPCC sobre fuentes de energía renovables. Lübeck, Alemania. págs. 59–80 . Archivado del original (PDF) el 22 de julio de 2011. Recuperado el 6 de abril de 2009 . 
  29. ↑ Informe del factor de capacidad de SREC, https://www.masscec.com/data-and-reports
  30. ↑ "Tabla 6.7.B. Factores de capacidad para generadores a escala industrial que utilizan principalmente combustibles fósiles" . Consultado el 21 de agosto de 2018 ."Tabla 6.7.B. Factores de capacidad para generadores a escala industrial que no utilizan principalmente combustibles fósiles" . Consultado el 21 de agosto de 2018 .
  31. ↑ "Resumen de estadísticas energéticas del Reino Unido (DUKES) de 2012: Capítulo 5 – Electricidad" (PDF) . Departamento de Energía y Cambio Climático . Archivado del original (PDF) el 30 de octubre de 2012. Consultado el 20 de marzo de 2018 .
  32. ↑ "Resumen de estadísticas energéticas del Reino Unido (DUKES) de 2013: Capítulo 5 – Electricidad" (PDF) . GOV.UK. Consultado el 20 de marzo de 2018 .
  33. ↑ "Resumen de estadísticas energéticas del Reino Unido (DUKES) de 2014: Capítulo 5 – Electricidad" (PDF) . GOV.UK. Archivado del original (PDF) el 31 de mayo de 2015. Consultado el 20 de marzo de 2018 .
  34. ↑ "Resumen de estadísticas energéticas del Reino Unido (DUKES) de 2016: Capítulo 5 – Electricidad" (PDF) . GOV.UK. Consultado el 20 de marzo de 2018 .
  35. ↑ "Resumen de estadísticas energéticas del Reino Unido (DUKES) para 2020: Capítulo 5 – Electricidad" . GOV.UK. Consultado el 21 de octubre de 2020 .
  36. ↑ "Compendio de estadísticas energéticas del Reino Unido (DUKES) para 2020: Capítulo 6 – Fuentes de energía renovables" . GOV.UK. Consultado el 21 de octubre de 2020 .
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