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Una microrred que se sostiene con masa rotante, agua bombeada y vapor a presión constante
La infraestructura del clúster resuelve tres problemas físicos acoplados. La red eléctrica debe mantener la frecuencia ante la pérdida súbita de un generador sin disponer de un gran sistema interconectado detrás. La demanda debe desplazarse hacia las horas de sol sin almacenar energía en forma química. Y la industria necesita vapor a presión constante las veinticuatro horas, aunque el calor residual de sus hornos no alcance a cubrirlo. Esta sección razona cada solución a partir de su ecuación de gobierno: la física fija la regla, y el modelo del clúster aporta las cifras con que se comprueba que el diseño la respeta.
La microrred abastece los procesos del clúster: captación y desalación, impulsión por el acueducto, cantera, hornos de cal y de vidrio, papelera, biorrefinería y factorías químicas. No suministra electricidad a los hogares de Lüderitz, que es competencia de la red nacional y de la distribuidora regional; lo que el clúster entrega a la ciudad es agua potable en alta. El balance que sigue es, por tanto, industrial puro.
| Elemento | Magnitud | Función |
|---|---|---|
| Parque fotovoltaico bifacial interior | 200,92 MW en 6 bloques independientes | Generación diurna |
| Parque eólico marino de Dias Point | 90,62 MW | Generación diurna y nocturna |
| Potencia renovable instalada | 291,54 MW | — |
| Condensadores síncronos con volante | 2 × 40 MVA · 480 MW·s | Inercia mecánica |
| Turbogeneradores de vapor (HRSG) | 14 MW·s · 1,5 MW de reserva primaria | Inercia y recuperación térmica |
| Grupo despachable de biometano | 11,0 MW · 4,81 GWh/año | Carga firme en horas sin recurso renovable |
| Enlace de interconexión de 132 kV | Doble circuito · exportación limitada a 39,52 MW | Evacuación comercial y anclaje de tensión |
| Carga firme de procesos continuos | 28,14 MW de media | Hornos, caldera de electrodos, electrodiálisis y servicios de proceso |
| Mínimo técnico nocturno consolidado | 29,34 MW | Carga firme más el mínimo escalonado de la desaladora |
| Cargas modulables | Electrólisis 0–65 MW · bombeo 1,2–12,0 MW | Seguimiento del recurso renovable |
| Reserva rodante mínima | más de 10 MW | Margen permanente sobre la punta |
La red se organiza alrededor de una subestación única de 33 kV conectada por el corredor técnico con la red regional de 132 kV.
| Franja | Recurso | Cargas modulables | Enlace |
|---|---|---|---|
| Ventana solar, 10:00–20:00 | Fotovoltaica a plena producción más eólica | Bombeo a 12,0 MW y electrólisis hasta 65 MW | Exporta el excedente hasta la capacidad contratada |
| Tarde y primeras horas de la noche | Eólica sostenida | Bombeo al mínimo escalonado; electrólisis modulando | Exporta el remanente |
| Noche con viento bajo | Eólica escasa | Bombeo en un solo módulo; electrólisis parada | Sin excedente; el grupo de biometano cubre la carga firme |
| Calma prolongada (14 h, eólica al 3 %) | Sin recurso renovable | Bombeo en un solo módulo; electrólisis parada | Hueco de 23,62 MW: importación con el enlace cerrado; nivel 3 de supervivencia en isla |
Con esta jerarquía, el modelo horario del gemelo digital no importa energía en las noches ordinarias y la energía no suministrada es nula. La calma prolongada es el caso límite: el grupo despachable tiene su combustible asegurado desde la Fase 1 con 28 t de biometano presurizado a 250 bar —una noche entera de calma a plena carga— y, por ser de doble combustible, admite además la reserva de metanol que aporta la química verde desde el Año 20; el enlace de 132 kV cubre el resto del hueco mientras está cerrado.
Con los factores de capacidad físicos del emplazamiento —30,6 % en la fotovoltaica y 45,4 % en la eólica—, el parque genera 898,50 GWh al año, de los que 631,88 GWh, el 70,3 %, alimentan los procesos. El destino del excedente depende de la capacidad de evacuación:
| Capacidad de evacuación | Exportación | Vertido |
|---|---|---|
| 39,52 MW (doble circuito, límite de estabilidad) | 113,26 GWh/a (12,6 %) | 153,37 GWh/a |
| 45 MW | 127,26 GWh/a (14,2 %) | 139,37 GWh/a |
| 55 MW | 152,81 GWh/a (17,0 %) | 113,82 GWh/a |
| 120 MW | 265,22 GWh/a (29,5 %) | 1,40 GWh/a |
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 regla 70/30 del modelo se cumple físicamente con 120 MW de evacuación. El consumo industrial es el mismo en todos los casos: lo que cambia es cuánta energía llega a la red nacional y cuánta se vierte. La exportación se limita a 39,52 MW porque el disparo del enlace deja de golpe sin destino la potencia que se exportaba: con el doble circuito, la pérdida de ambos es el evento extremo que la inercia del clúster todavía admite. Las capacidades mayores exigen circuitos adicionales independientes (Apéndice 19).
Toda máquina síncrona conectada a la red almacena energía cinética en su masa rotante. Cuando la potencia generada y la demandada se desequilibran, esa energía es la única que responde en el primer instante, antes de que ningún regulador actúe. La ecuación de oscilación agregada del sistema lo expresa:
\frac{2H}{f_0}\,\frac{df}{dt} = \frac{P_{gen}-P_{dem}}{S_{base}} - D\,\frac{\Delta f}{f_0}
donde H es la constante de inercia en segundos, f₀ = 50 Hz la frecuencia nominal, S_base la potencia base del sistema y D el coeficiente de amortiguamiento de la carga. La constante de inercia es el cociente entre la energía cinética acoplada y la potencia base:
H = \frac{E_{cin}}{S_{base}} = \frac{480 + 14\ \mathrm{MW\cdot s}}{107{,}9\ \mathrm{MVA}} = 4{,}58\ \mathrm{s}
Los condensadores síncronos aportan el 97,2 % de esa energía. Son máquinas síncronas sin turbina, que giran acopladas a la red sólo para aportar inercia y potencia reactiva, y cuyo volante multiplica la energía almacenada por unidad de potencia.
En el instante inmediatamente posterior a la pérdida de una potencia ΔP, la tasa de variación de la frecuencia (RoCoF) depende sólo de la energía cinética disponible:
\left.\frac{df}{dt}\right|_{0^+} = -\frac{f_0\,\Delta P}{2\,E_{cin}}
La contingencia creíble mayor del clúster en isla es solar y ocurre a mediodía: la desconexión de un bloque fotovoltaico a plena producción. Por eso el parque se divide en seis bloques independientes, cada uno con su estación inversora y su circuito de evacuación. Con el enlace cerrado, la frecuencia la impone la red regional; con el enlace abierto, el despacho fotovoltaico se limita a 111,4 MW —la irradiancia física del mediodía llevaría cada bloque a 33,49 MW— y la pérdida de un bloque es ΔP = 18,56 MW:
\mathrm{RoCoF} = \frac{50 \times 18{,}56}{2 \times 494} = 0{,}94\ \mathrm{Hz/s}
La misma potencia repartida en cuatro bloques daría un escalón de 27,83 MW y un RoCoF de 1,41 Hz/s, por encima del límite de 1,0 Hz/s. La topología de evacuación es, así, un parámetro de estabilidad: fraccionar la generación reduce el tamaño de la perturbación que la inercia debe absorber, sin añadir un solo equipo.
La inercia frena la caída de frecuencia, pero no la detiene. La detienen cuatro defensas que actúan en ventanas temporales sucesivas:
| Defensa | Latencia | Recurso |
|---|---|---|
| Inercia mecánica | 0 ms | 494 MW·s de masa rotante |
| Deslastre de cargas modulables | 250 ms | Ósmosis inversa y electrólisis por encima de su mínimo técnico |
| Reserva de convertidores formadores de red | 1 s | Potencia fotovoltaica y eólica en reserva |
| Enlace de 132 kV | 1 s | Margen rodante permanente sobre los 45 MW del enlace |
La frecuencia mínima alcanzada tras la perturbación —el nadir— es el resultado de la carrera entre la energía cinética que se consume y la potencia de reserva que entra. En el gemelo digital del clúster, con el día de mayor demanda de riego y las contingencias N-1 de las 24 horas, el nadir más bajo es de 49,52 Hz y el RoCoF máximo de 0,94 Hz/s. El umbral de deslastre automático por subfrecuencia se sitúa en 49,0 Hz: en la simulación, ninguna contingencia creíble lo alcanza. Son resultados de cálculo, no medidas: indican que el diseño es coherente con la ecuación de oscilación y con sus propios parámetros, y validarlos exige contrastarlos con las medidas de un piloto.
Un convertidor electrónico puede emular inercia midiendo la frecuencia y ajustando su potencia, pero esa respuesta llega después de un retardo de medida y control, y depende de que el algoritmo y el estado de carga de la batería sean los correctos en el instante del fallo. La energía cinética de una masa rotante responde en t = 0 por la propia física del acoplamiento electromagnético, sin medida ni decisión.
El clúster no utiliza acumuladores químicos (BESS) ni bombeo hidroeléctrico reversible (PHES). La inercia la aportan máquinas síncronas; el desplazamiento energético intradiario, la batería virtual de agua; las horas sin viento ni sol, el grupo despachable de biometano; y la evacuación del excedente, el enlace de 132 kV. Cada función se asigna al recurso cuyo principio físico la resuelve con menor conversión de energía.
Los turbogeneradores de recuperación giran gracias al vapor de los humos de los hornos de cal (S02) y de vidrio (V03). Parar un horno reduce la inercia del sistema, y la regla de enclavamiento se deriva de esa dependencia:
| Solicitud de parada | Inercia resultante | Decisión |
|---|---|---|
| Ninguna | 4,58 s | — |
| Horno de cal S02 | 4,51 s | Autorizada |
| Horno de vidrio V03 | 4,51 s | Autorizada |
| S02 y V03 simultáneamente | 4,45 s | Rechazada |
La parada simultánea queda prohibida porque llevaría la inercia por debajo de 4,50 s. Existe además una segunda razón térmica: sin ambos hornos, el anillo de vapor perdería todo su calor residual y la caldera de electrodos tendría que subir de 7,11 a 11,77 MW.
La desalación por ósmosis inversa y la impulsión del agua hasta el interior consumen 3,00 kWh por metro cúbico: 2,16 kWh/m³ en el tren de membranas y 0,84 kWh/m³ en la toma y la impulsión por el acueducto DN1000. Como el agua producida se almacena en el embalse nodal S04, la planta puede producir cuando hay energía y el clúster puede consumir el agua cuando la necesita. La energía queda incorporada al volumen almacenado:
E_{bv} = V_{S04}\cdot SEC = 3.140.521 \times 3{,}0022\times10^{-3} = 9.428\ \mathrm{MWh}
La potencia de este recurso está acotada por la capacidad de la planta, entre 2,40 y 11,99 MW. Su relación energía/potencia es de 786 horas: es un recurso estacional y de desplazamiento intradiario, no de regulación en segundos. Esa distinción es la que separa sus funciones de las de la inercia.
El control despacha el bombeo en la ventana solar de 10:00 a 20:00 h, que empieza cuando se ha disipado la niebla matinal. Fuera de la ventana opera un único módulo de los diez de la planta, a plena carga para no someter sus membranas a ciclos de presión. Con esa regla, el 84,7 % de la energía de bombeo se consume dentro de la ventana y la producción diaria de agua se mantiene íntegra: trasladar la carga no reduce el agua producida.
| Propiedad | Batería virtual de agua | Acumulador electroquímico (BESS) |
|---|---|---|
| Forma de la energía | Agua ya desalada y elevada | Energía química en celdas |
| Conversión de retorno | Ninguna: el agua se consume, no se reconvierte | Descarga con pérdidas de ida y vuelta |
| Degradación por ciclo | Nula en el embalse; las membranas operan a carga constante | Pérdida de capacidad con los ciclos y la temperatura |
| Relación energía/potencia | 786 h | Del orden de 1–4 h |
| Función en el clúster | Desplazamiento intradiario y estacional de demanda | — |
La comparación no establece que un recurso sea mejor que otro en abstracto, sino qué función cumple cada uno. Un acumulador químico entrega potencia rápida durante pocas horas; la batería virtual desplaza grandes cantidades de energía durante días y estaciones. En un clúster cuya mayor carga flexible es precisamente la producción de agua, el desplazamiento de esa carga resuelve la variabilidad diaria sin introducir un inventario electroquímico.
El embalse nodal S04 tiene 3.140.521 m³ de volumen útil y un CAPEX de 171,88 MUSD. Su tamaño no lo fija la variación diaria, sino la estacional: en el hemisferio sur, la punta de riego coincide con el verano, cuando el consumo supera a la producción continua de la planta. La curva de masas del balance horario —el acumulado de entradas menos salidas a lo largo del año— fija el volumen que elimina por completo las 479 horas anuales de déficit que existirían con una regulación sólo diaria. El control sigue una consigna estacional de llenado:
V^{\ast}(d) = \left[0{,}62 - 0{,}30\cos\!\left(\frac{2\pi\,(d-15)}{365}\right)\right] V_{max}
con un mínimo el 15 de enero y la banda operativa entre el 15 % y el 100 % del volumen útil.
El anillo de vapor recorre 2,99 km a 12,0 bar constantes y une la cabecera térmica —los hornos de cal y de vidrio— con los consumidores de vapor. Su balance se escribe con el caudal másico y el salto entálpico entre el agua de alimentación y el vapor saturado:
\dot Q = \dot m\,(h_g - h_{fw}) \approx \dot m \times 2{,}345\ \mathrm{MJ/kg}
| Término | Caudal | Potencia térmica |
|---|---|---|
| Vapor recuperado de los humos de cal y vidrio (HRSG) | 7,01 t/h | 4,57 MW |
| Demanda del papel TCF | 2,71 t/h | — |
| Demanda de los evaporadores ZLD | 12,00 t/h | — |
| Demanda de la digestión | 3,00 t/h | — |
| Demanda total | 17,71 t/h | — |
| Déficit estructural | 10,70 t/h | 6,97 MW |
| Caldera de electrodos (η = 0,98) | — | 7,11 MW eléctricos |
El salto entálpico es el mismo en los dos lados del balance: 4,57 MW para 7,01 t/h y 6,97 MW térmicos para 10,70 t/h equivalen a 2,345 MJ/kg, el calor necesario para llevar agua de alimentación a unos 105 °C hasta vapor saturado a 12 bar.
La caldera de electrodos es una carga firme y no modulable. Si se modulara con el excedente renovable, la presión del colector caería cada noche y los evaporadores de salmuera y la papelera se detendrían. Por eso sale del orden de mérito del despacho y opera a 7,11 MW las 24 horas, mientras la electrólisis y la ósmosis inversa absorben la modulación.
El corredor de conexión, entre los kilómetros 5 y 25, aloja en la galería de servicios del túnel el acueducto DN1000, la conducción de salmuera concentrada hacia las camas del interior y la línea eléctrica de 33/132 kV, en paralelo a la carretera B4 y a la vía férrea. La zanja se abre una vez y se paga una vez. El orden vertical de los servicios es una barrera sanitaria: el agua potable discurre siempre por encima de las conducciones no potables, de modo que una fuga sólo puede ir de la conducción limpia a la de servicio, nunca al revés.