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La energía es el recurso habilitador del clúster: sin electricidad no hay agua desalada, ni vapor para la industria, ni bombeo hacia el interior. Desde el punto de vista termodinámico, un sistema industrial que cierra sus ciclos de materia no contradice el Segundo Principio porque no es un sistema aislado: es una estructura disipativa en el sentido de Prigogine, abierta al flujo de energía y diseñada para cerrar en su interior los ciclos de materia y tomar del exterior, en lo esencial, agua de mar. Capta exergía de baja entropía —radiación solar y energía cinética del viento— y disipa calor al ambiente, con el que exporta entropía al entorno; esa corriente de exergía es la que sostiene el orden interno de los ciclos de materia.
El bloque energético resuelve tres problemas distintos con tres recursos distintos, y cada asignación responde al principio físico que resuelve el problema con la menor conversión de energía:
| Problema | Escala temporal | Recurso asignado |
|---|---|---|
| Mantener la frecuencia ante una contingencia | Milisegundos a segundos | Inercia mecánica de máquinas síncronas |
| Desplazar la demanda hacia las horas de sol | Horas a estaciones | Batería virtual de agua |
| Cubrir la carga firme en las horas sin viento ni sol | Horas | Generación despachable de biometano |
| Evacuar el excedente renovable | Horas | Enlace de 132 kV |
El clúster autoproduce la totalidad de la energía que consumen sus procesos: captación y desalación, impulsión por el acueducto DN1000, cantera, hornos de cal y de vidrio, papelera TCF, biorrefinería y factorías químicas. No es una distribuidora eléctrica urbana: el suministro residencial y comercial de Lüderitz es competencia de NamPower y de la distribuidora regional. Lo que el clúster entrega a la ciudad es agua potable en alta, en la arqueta municipal. El balance de potencia de este capítulo es, por tanto, industrial puro: no computa cargas domésticas.
| Fuente | Potencia | Emplazamiento | Función |
|---|---|---|---|
| Fotovoltaica bifacial | 200,92 MW en 6 bloques | Distrito interior, km 25–40 | Generación diurna |
| Eólica marina | 90,62 MW | Dias Point, distrito litoral | Generación diurna y nocturna |
| Turbogeneradores de recuperación (HRSG) | 14 MW·s de inercia | Hornos de cal y vidrio | Inercia y aprovechamiento térmico |
| Grupo despachable de biometano | 11,0 MW | Junto a la digestión | Carga firme en las horas sin recurso renovable |
El parque fotovoltaico se sitúa en el interior porque allí la irradiación de la mañana no sufre la atenuación de la niebla de Benguela, la corrosividad atmosférica es de categoría C2–C3 y el suelo desértico seco aporta un albedo de 0,32 a los módulos bifaciales (véase la sección de climatología aplicada), con el que el parque alcanza un factor de capacidad del 30,6 %. La eólica se sitúa en la costa porque el aire frío y denso del litoral y el régimen constante de los alisios dan al viento su mayor densidad de potencia.
La división del parque fotovoltaico en seis bloques independientes, cada uno con su estación inversora y su circuito de evacuación, es una decisión de estabilidad y no de capacidad: limita la mayor pérdida creíble de generación a 18,56 MW al mediodía.
La frecuencia de una red de corriente alterna refleja el equilibrio instantáneo entre la potencia generada y la demandada. Ante un desequilibrio, la energía cinética de las masas rotantes acopladas es la única que responde en el primer instante:
\frac{2H}{f_0}\,\frac{df}{dt} = \frac{P_{gen}-P_{dem}}{S_{base}} - D\,\frac{\Delta f}{f_0}
La constante de inercia del clúster es H = E_cin / S_base = 494 MW·s / 107,9 MVA = 4,58 s. De esa energía cinética, 480 MW·s proceden de dos condensadores síncronos de 40 MVA con volante —máquinas síncronas sin turbina, que giran acopladas a la red para aportar inercia y potencia reactiva— y 14 MW·s de los turbogeneradores de recuperación de calor.
Tras perder una potencia ΔP, la pendiente inicial de la frecuencia es:
\mathrm{RoCoF} = \frac{f_0\,\Delta P}{2\,E_{cin}} = \frac{50 \times 18{,}56}{2 \times 494} = 0{,}94\ \mathrm{Hz/s}
por debajo del límite de 1,0 Hz/s. Según el modelo, la frecuencia mínima —el nadir— queda en 49,52 Hz en la peor hora del día de diseño, por encima del umbral de deslastre automático de 49,0 Hz. Cuatro defensas actúan en ventanas sucesivas: la inercia (0 ms), el deslastre de las cargas modulables de ósmosis inversa y electrólisis (250 ms), la reserva de los convertidores formadores de red y el enlace de 132 kV (1 s).
El clúster no utiliza acumuladores químicos (BESS) ni bombeo hidroeléctrico reversible (PHES): ninguna máquina eleva agua para devolverla después a la red como electricidad. La inercia la aporta masa rotante real —los turbogeneradores de vapor, los condensadores síncronos y el alternador de la central de pie de presa mientras rueda—, cuya respuesta en el instante t = 0 es una propiedad física del acoplamiento electromagnético y no depende de una medida, de un algoritmo de control ni del estado de carga de una batería. Una regla operativa protege esa propiedad: el enclavamiento de hornos prohíbe la parada simultánea del horno de cal (S02) y del horno de vidrio (V03), porque sus turbogeneradores aportan 7 MW·s cada uno y la inercia caería a 4,45 s, por debajo del mínimo de 4,50 s.
La carga firme de procesos continuos del clúster es de 28,14 MW de media, e incluye la caldera de electrodos del anillo de vapor. Con el bombeo replegado a su mínimo escalonado, el mínimo técnico nocturno consolidado es de 29,34 MW: 28,14 de carga firme y 1,20 de la desaladora. La fotovoltaica se anula cada noche y el viento, aunque sostenido, tiene horas en calma. Dos reglas de operación y una máquina resuelven esas horas:
Con esas tres piezas, el modelo horario del gemelo digital no importa energía en las noches ordinarias del régimen de Benguela, en las que el viento nocturno no baja del 20 % de su potencia. Ninguna cantidad adicional de fotovoltaica o de eólica logra lo mismo: en una hora sin viento ni sol, y sin almacenamiento químico ni bombeo reversible, sólo una máquina despachable sostiene la carga firme.
La calma prolongada es otro caso. Catorce horas con la eólica al 3 % dejan un hueco de 23,62 MW que el grupo de 11,0 MW no cubre: con el enlace cerrado, ese hueco se importa de la red regional; en isla, el clúster baja al nivel 3 de supervivencia (Apéndice 19). Una noche de calma consume además 27,7 t de biometano, once días de la producción del digestor, y el margen anual del combustible es del 6,7 %. Por eso el combustible de esa noche no se toma del caudal del digestor: el clúster almacena desde la Fase 1 28 t de biometano presurizado a 250 bar —unos 39.000 Nm³, del orden de 146 m³ de recipientes con compresor dedicado, con un factor de compresibilidad de 0,86 a 20 °C—, que es exactamente el consumo de una noche de calma a plena carga. Y por eso el grupo es además de doble combustible: desde el Año 20, cuando la planta de química verde B11 entra en servicio, a ese búfer se suma una reserva de 69,62 t de metanol (96,8 m³), que da una segunda noche. Con ese combustible en reserva, la máquina de 11,0 MW funciona toda la noche, pero sigue siendo de 11,0 MW: en isla, el hueco que no cubre obliga al nivel 3 de supervivencia.
El enlace con la red regional tiene 45 MW de capacidad bidireccional y dos funciones. La primera es comercial: evacuar el excedente renovable a la red nacional mediante contrato de compraventa de energía (PPA). La energía que sale por el doble circuito de 132 kV entra en la red troncal nacional. Desde ella, la distribuidora regional abastece a la población de Lüderitz. Ésa es la frontera entre la microrred industrial, que es privada y alimenta procesos, y el consumo municipal, que es un servicio público: el clúster entrega energía a la red y agua potable en alta, y no distribuye electricidad a los hogares. La segunda es de red: anclaje de tensión con el sistema regional y margen rodante permanente por encima de 10 MW.
El almacenamiento nodal se resuelve en dos vasos escalonados unidos por una tubería forzada, y el agua recorre el desnivel una sola vez, en el sentido en que ha de recorrerlo para regar y abastecer.
El vaso de cabecera ocupa una garganta rocosa cerrada en forma de V a una cota media de +450 m sobre el nivel del mar. Su perímetro de coronación mide 2,0 km —1.935 m sobre una longitud longitudinal de 897 m y una anchura superior media de 70 m—, la profundidad media es de 50 m y la máxima, en el seno rocoso, de 80 m. La capacidad total es de 3.140.521 m³, de los que 1.476.045 m³ son volumen útil de regulación estacional, y el espejo de agua queda en 6,28 ha: la estrechez del cañón concentra el volumen en profundidad en lugar de en superficie, y es esa geometría la que gobierna la evaporación.
La evaporación natural del espejo es de 200.993 m³ al año —551 m³ diarios, el 0,99 % del consumo diario del clúster—, acotada por la estrechez del cañón y por la sombra orográfica de sus propias paredes. Una cubierta fotovoltaica flotante ocupa el 70 % central del espejo, 4,40 ha, e instala 4,89 MWp de potencia auxiliar diurna que entregan 10,26 GWh al año al circuito interno de 33 kV. Bajo la cubierta la evaporación residual baja a 81.402 m³ anuales, 223 m³ diarios: el 0,4 % del agua que el clúster consume en un año. El 30 % perimetral del espejo queda libre de flotadores, porque las paredes del cañón son verticales y los módulos no deben rozar la roca ni quedar varados cuando el nivel oscila entre la consigna estacional y el suelo de explotación.
El vaso de pie tiene su cabecera a +330 m y funciona como pulmón operativo diario, entre 100.000 y 150.000 m³. Su papel no es la reserva estratégica —ésa la da el vaso de cabecera— sino desacoplar la descarga de la distribución: desde él salen la conexión presurizada hacia las 7.233 ha agrícolas, la derivación al complejo industrial y la tubería de gravedad hacia la arqueta municipal de Lüderitz.
Entre los dos vasos hay 120 m de salto neto, y el agua los desciende por una tubería forzada que alimenta una central de pie de presa. La potencia sale de la física del salto y no de una placa de catálogo:
P = \rho\, g\, H\, Q\, \eta = 1000 \times 9{,}81 \times 120 \times 1{,}0975 \times 0{,}88 = 1{,}137\ \mathrm{MW}
El grupo es una turbina Francis o Pelton con alternador síncrono acoplado y un rendimiento global de 0,88. Turbina durante las catorce horas de la ventana de descarga nocturna, de 18:00 a 08:00, con un caudal de 1,0975 m³/s en régimen de consumo medio —55.315 m³ al día— y de 1,2617 m³/s en régimen de producción media —63.592 m³ al día—, lo que sitúa la potencia nocturna firme entre 1,137 y 1,307 MW y la energía de cada noche entre 15,92 y 18,30 MWh. La central es de paso: recupera energía del agua que ha de descender igualmente, y no eleva agua para almacenarla.
La mayor carga flexible del clúster es la producción de agua. La desalación por ósmosis inversa y la impulsión hasta el interior consumen 3,00 kWh por metro cúbico —2,16 en las membranas y 0,84 en la toma y el acueducto DN1000—, y el agua producida se almacena en el sistema nodal S04, de 3.140.521 m³, resuelto en dos vasos escalonados. La energía queda incorporada al agua almacenada:
E_{bv} = V_{S04}\cdot SEC = 3.140.521 \times 3{,}0022\times10^{-3} = 9.428\ \mathrm{MWh}
La potencia de este recurso, entre 2,40 y 11,99 MW, la fija la planta desaladora. Su relación energía/potencia es de 786 horas: es desplazamiento de demanda, intradiario y estacional, y no un recurso de regulación en segundos. El despacho concentra el bombeo en la ventana solar de 10:00 a 20:00 h, con un solo módulo de los diez operando fuera de ella, a plena carga para no someter sus membranas a ciclos de presión. El 84,7 % de la energía de bombeo se consume en la ventana, sin reducir el agua producida.
El anillo de vapor recorre 2,99 km a 12,0 bar y une la cabecera térmica —hornos de cal y de vidrio— con la papelera TCF, los evaporadores de salmuera y la digestión. Los humos de los hornos generan 7,01 t/h de vapor (4,57 MW térmicos) en calderas de recuperación; la demanda es de 17,71 t/h. El déficit estructural de 10,70 t/h lo cubre una caldera de electrodos de 7,11 MW eléctricos, operada como carga firme las 24 horas: modularla con el excedente renovable despresurizaría el colector cada noche.
| Mérito | Carga | Clase |
|---|---|---|
| 1 | Electrólisis de agua (O₂ e H₂), entre parada y 65 MW | Modulable |
| 2 | Ósmosis inversa e impulsión DN1000, entre 1,2 y 12,0 MW | Modulable, concentrada en la ventana solar |
| 3 | Exportación por el enlace de 132 kV | Sumidero del excedente |
| — | Caldera de electrodos del anillo de vapor | Firme |
| — | Hornos de cal y vidrio, electrodiálisis, servicios | Firme |
| — | Grupo despachable de biometano | Firme, sólo en horas sin recurso |
El control predictivo del gemelo digital planifica el despacho de cada hora con el pronóstico de recurso y la consigna estacional del embalse; el control automático de generación actúa en tiempo real dentro de los márgenes de ese plan.
Con los perfiles físicos del emplazamiento —factor de capacidad del 30,6 % en la fotovoltaica y del 45,4 % en la eólica—, el parque de 291,54 MW genera 898,50 GWh al año. El reparto de esa generación depende de la capacidad de evacuación del enlace, porque la exportación no la limita la generación sino la salida:
| Capacidad de evacuación | Consumo industrial | Exportación | Vertido |
|---|---|---|---|
| 39,52 MW (doble circuito, límite de estabilidad) | 631,88 GWh/a (70,3 %) | 113,26 GWh/a (12,6 %) | 153,37 GWh/a (17,1 %) |
| 45 MW | 631,88 GWh/a (70,3 %) | 127,26 GWh/a (14,2 %) | 139,37 GWh/a (15,5 %) |
| 55 MW | 631,88 GWh/a (70,3 %) | 152,81 GWh/a (17,0 %) | 113,82 GWh/a (12,7 %) |
| 90 MW | 631,88 GWh/a (70,3 %) | 228,43 GWh/a (25,4 %) | 38,20 GWh/a (4,3 %) |
| 120 MW | 631,88 GWh/a (70,3 %) | 265,22 GWh/a (29,5 %) | 1,40 GWh/a (0,2 %) |
Son cifras del modelo horario, calculadas con los perfiles de recurso del emplazamiento. Sus decimales permiten rastrear cada una hasta su celda y no expresan la precisión de una medida. Lo que validaría la tabla es contrastar esos perfiles con series meteorológicas medidas en Lüderitz, un paso que está pendiente.
La regla 70/30 del modelo —el 70 % de la generación para el consumo propio y el 30 % para la exportación— se cumple físicamente con 120 MW de capacidad de evacuación: el vertido se anula y el clúster entrega a la red nacional 265,22 GWh al año. Con menos capacidad, el consumo industrial es el mismo y la diferencia se vierte por falta de salida. La capacidad definitiva depende del contrato con la red nacional y de la revisión de inversión.
La capacidad de evacuación tiene además un límite de estabilidad. Si el enlace dispara, la potencia que se exportaba queda de golpe sin destino y sólo la inercia del clúster frena la subida de la frecuencia. Con el enlace de doble circuito, la pérdida de uno no reduce la exportación y la de ambos, evento extremo, admite hasta 39,52 MW: la exportación se limita a ese valor, que da 113,26 GWh al año. Las capacidades mayores de la tabla exigen circuitos adicionales independientes, cada uno con su propio estudio de estabilidad (Apéndice 19).
El saldo anual es exportador en todos los casos. El saldo horario sólo es importador en las calmas prolongadas con el enlace cerrado.
La mayor parte de la potencia instalada no requiere presencia continua. El parque fotovoltaico, extenso y automatizado, emplea personal de mantenimiento y limpieza de módulos de carácter diurno. El parque eólico se mantiene mediante contrato de servicio con el fabricante durante su período de garantía. La operación continua corresponde a la subestación, a los condensadores síncronos y a los turbogeneradores de recuperación, cuyo régimen es ininterrumpido porque los hornos operan sin parada. El control y el despacho se centralizan en el nodo común: la potencia no determina el empleo; lo determina el régimen de operación.
El bloque energético del clúster separa las funciones que un sistema convencional confía a un mismo equipo. La masa rotante sostiene la frecuencia en los primeros segundos; la batería virtual de agua traslada la demanda hacia las horas de sol; el grupo de biometano cubre las horas sin recurso renovable; el enlace de 132 kV evacúa el excedente; y el anillo de vapor devuelve a la industria el calor de sus propios hornos. Ninguna de esas funciones requiere un inventario electroquímico.