Las preocupaciones sobre el colapso de la red de Eskom son muy exageradas

Dec 07, 2023

Según un informe de investigación de Kela Securities, el riesgo de un colapso total de la red y un apagón nacional que dure dos semanas o más en Sudáfrica es extremadamente bajo. La frecuencia eléctrica del país de 50 Hz es crucial para la operación, y las desviaciones de esta frecuencia pueden causar apagones. Sin embargo, Sudáfrica cuenta con desconexión de carga automatizada y medidas alternativas para gestionar la frecuencia y evitar apagones. En caso de un apagón, las centrales eléctricas se pueden reiniciar en cuestión de minutos utilizando centrales hidroeléctricas y turbinas de gas, y la mayor parte del país puede volver a estar en línea en cuestión de horas. El principal desafío radica en reparar la infraestructura de distribución y coordinar la oferta y la demanda para restaurar la energía en todas las regiones. La situación actual se atribuye a la interferencia política y al mantenimiento insuficiente de la planta, que solo puede resolverse mediante un mantenimiento adecuado y deslastre de carga a corto plazo. Aquí está el informe completo a continuación.

Por Lesedi Kelatwang y Kudakwashe Kadungure de Kela Securities

Después de haber realizado investigaciones sobre el terreno y de consultar a varios ingenieros experimentados con conocimientos técnicos sobre las operaciones de generación de energía de Eskom, en Kela creemos que el riesgo de un colapso total de la red, que provoque un apagón que dure dos semanas o más, es extremadamente bajo. De hecho, entendemos que si la red colapsara, la electricidad volvería a funcionar en cuestión de horas en la mayoría de los grandes centros económicos del país.

Para que ocurra un apagón a nivel nacional en Sudáfrica, el país esencialmente no está produciendo nada de electricidad y los gerentes altamente calificados de Eskom han olvidado cómo mantener la frecuencia de la red en 50 Hz. Dado que la demanda máxima de este año en mayo fue c.33GW, y Eskom implementó la etapa 6 para superarla, un apagón nacional es similar a que Eskom implemente otras 27 etapas de desconexión de carga por encima de la etapa 6. Esto se basa naturalmente en que cada etapa de desconexión de carga es de 1 gigavatio (GW).

A continuación desglosamos cómo, en un nivel básico, esto podría suceder potencialmente. En consecuencia, también esbozaremos las razones por las que pensamos que no sucederá en absoluto. Limitaremos nuestra discusión a un solo parámetro común a través de los componentes eléctricos, el de la Frecuencia.

La electricidad en Sudáfrica se genera a una frecuencia de 50 Hz. Usando una dinamo para alimentar la lámpara de una bicicleta como ejemplo, donde se supone que está girando a la misma velocidad de una central eléctrica de 3000 RPM (revoluciones por minuto), en consecuencia, estaría generando electricidad a 50 Hz. Como 1 Hz se define como igual a 1 ciclo por segundo, la dínamo que funciona a 3000 RPM estaría logrando 50 ciclos por segundo.

Para Sudáfrica y, de hecho, para casi todas las redes eléctricas del mundo, es sacrosanto que la frecuencia se mantenga siempre en 50 Hz. Como sudafricanos, nuestros dispositivos/equipos eléctricos están diseñados para funcionar con electricidad generada en esta frecuencia. Una desviación material de 50 Hz esencialmente significa que cualquier cosa conectada a la red no funcionaría o, a falta de una palabra mejor, se rompería.

Las centrales eléctricas, junto con los electrodomésticos, pueden adaptarse a una pequeña variación de los cambios de frecuencia sin ninguna reacción. Sin embargo, esto está limitado a una desviación de frecuencia del 1 % en la mayoría de los casos, o 0,5 Hz. Esto se conoce como banda muerta, donde los cambios de frecuencia se pueden acomodar sin ningún cambio en la producción de la planta. Cualquier cambio en la frecuencia de más del 1% hará que la planta produzca más o menos energía para recuperar la frecuencia. Y si la frecuencia no puede volver a estar dentro de la banda muerta, se apagará sola. Esta es una característica de seguridad que está integrada en el diseño real de la planta.

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¿Qué haría que una planta de energía o una red tuvieran problemas para mantener los 50 Hz?

Esto puede ocurrir si hay una falla interna dentro de la planta o si hay un desequilibrio importante entre la generación y la utilización (oferta/demanda) de electricidad. El primero es bastante sencillo de entender, por lo que centramos nuestra atención en el segundo. Cada gigavatio (GW) generado debe tener asociado un consumidor (carga).

En términos generales, si nuestra red teórica de 5 centrales eléctricas, cada una de las cuales produce 1 GW y genera 5 GW, entonces necesita una demanda de 5 GW. En el caso de que la demanda caiga a 3 GW mientras que la oferta se mantiene en 5 GW, esto tendría el efecto de aumentar la frecuencia de la red. Como se mencionó, los 50 Hz deben mantenerse sin importar nada. La empresa de energía respondería reduciendo la energía generada en las 5 plantas eléctricas para que sea igual a 3 GW, o apagando 2 plantas, para reducir el suministro en 2 GW. Alternativamente, la empresa de servicios públicos podría buscar medios para aumentar la demanda vendiendo más electricidad a los países vecinos a través del Southern African Power Pool (SAPP).

Por el contrario, en el caso de que la demanda exceda la oferta, esto tendría el efecto de reducir la frecuencia de la red. La empresa de servicios públicos puede responder aumentando la oferta o reduciendo la demanda. Lo primero no es posible de inmediato para Sudáfrica, y dado que los vecinos de SAPP tienen una capacidad instalada relativamente pequeña para importar desde Sudáfrica, esto deja el deslastre de carga como la única opción que tenemos, lo que tiene el efecto de reducir la demanda.

Suponiendo que todas nuestras plantas estén en perfectas condiciones, ¿qué podría causar un apagón?

En los casos en que la oferta supere la demanda, la empresa de servicios públicos deberá desconectar o reducir el exceso de oferta o exportar más al SAPP. Si, por la razón que sea, esto no se logra, entonces tendríamos varias centrales eléctricas desconectándose de la red debido a la protección de sobrefrecuencia, lo que posteriormente conduciría a un apagón.

Lógicamente, esto es altamente improbable dado que Eskom tiene el control para cortar el suministro. En los casos en que hay un aumento en la demanda que supera la oferta, la única forma en que ocurre un apagón es cuando Eskom de alguna manera no logra reducir la demanda en consecuencia. Si bien esto es igualmente altamente improbable, en realidad se ha materializado en ciertos países africanos. La causa subyacente fue que lucharon por cortar la demanda a tiempo y las plantas se dispararon, apagándose solas debido a la protección de baja frecuencia, como están diseñadas para hacerlo.

La razón por la que ocurrieron estos incidentes se debe a que existe un alto grado de intervención manual en esos países para implementar la desconexión de carga. La red de Sudáfrica es mucho más sofisticada porque tiene un alto grado de automatización. Sudáfrica tiene una desconexión de carga automatizada que está integrada en el sistema, además de la desconexión de carga manual normal a la que todos estamos acostumbrados, que se basa en la frecuencia para gestionar las caídas de frecuencia y la generación de la planta de energía también se puede controlar de forma centralizada para reducir o aumentar la carga. ello, puramente basado en valores de frecuencia.

Más allá de esto, existe una amplia gama de medidas alternativas en vigor. Por ejemplo, Eskom puede desconectar algunos de los grandes consumidores industriales durante unos minutos. Esto ya está contemplado en sus contratos y puede suceder automáticamente cuando la frecuencia cae bruscamente y ocurre el apagado automático de las plantas, basado únicamente en la frecuencia. En esos pocos minutos, Eskom puede encender sus reservas, es decir, sus turbinas de gas de ciclo abierto (OCGT), los esquemas de almacenamiento por bombeo y/o implementar deslastre de carga para evitar que se disparen más plantas y permitir que la frecuencia se normalice.

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¿Cuánto tiempo se tardaría en volver a poner en funcionamiento la red en caso de un apagón?

Eskom tiene diferentes tipos de plantas de energía, cada una de las cuales tarda diferentes tiempos en ponerse en marcha. Las centrales de carbón y las nucleares son las que más tardan en ponerse en marcha. El carbón suele tardar unas horas en ponerse en marcha, mientras que la energía nuclear a veces necesita días para alcanzar la carga máxima. Las turbinas de gas de ciclo abierto y las centrales hidroeléctricas tardan unos minutos en cargarse y son la preferencia natural para poner en marcha un país.

Dado que comenzar desde un apagón se haría usando una combinación de plantas hidroeléctricas y turbinas de gas, literalmente llevaría unos minutos volver a poner en funcionamiento la planta de energía para algunas de las cargas clave. El resto del país puede estar en línea en cuestión de horas a medida que se conectan más plantas y cargas.

El desafío radica en coordinar la oferta y la demanda en el arranque para mantener la frecuencia de 50 Hz de la red. Esto requiere un proceso cuidadoso de encendido y carga lentos de las plantas mientras se vinculan a la demanda. En las primeras horas se volverían a conectar la mayoría de las grandes cargas. Las ciudades y otros grandes centros se volverían a conectar durante las primeras 12 horas, mientras que la mayoría de las cargas significativas se producirían en 24 horas. Entonces, ¿qué causaría que un apagón dure unas pocas semanas?

Observando una tendencia observada en la que el aumento en la frecuencia de deslastre de carga ha llevado a un aumento similar en la cantidad de interrupciones que duran más de lo planificado, la causa se debe en gran parte a consecuencias imprevistas en la infraestructura de distribución. El aumento de las averías de los transformadores y las subestaciones significa que Eskom pierde más tiempo en el envío de técnicos y en la realización de reparaciones in situ. En un escenario en el que la interrupción de la carga ocurre a la vez en todo el país, que en esencia es lo que es un apagón, es concebible que un cierto porcentaje del país siga sin energía aunque Eskom vuelva a estar en línea.

Técnicamente, en la jerga de generación de electricidad, apagones en diferentes regiones. Seguramente, desde una perspectiva prioritaria, al volver a encender las luces, las áreas de alta importancia económica estarían en los primeros lugares de la lista. Dicho de otra manera, lugares como Johannesburgo, Ciudad del Cabo o áreas industriales pesadas como plantas de procesamiento o minería (por razones de seguridad) se recuperarían en unas pocas horas. A esas personas les parecería una pérdida de carga normal. Mientras que el tipo pobre en un área muy rural podría tener que esperar algunas semanas hasta que Eskom finalmente llegue a él.

El punto clave a tener en cuenta aquí es que un colapso de la red puede ocurrir en cualquier momento y en cualquier parte del mundo. El hecho de que hayamos pasado de la etapa 1 a la etapa 2 y ahora se habla de deslastre de carga de la etapa 16 no significa que la red esté a punto de colapsar. Prevenir un colapso de la red es una función de mantener 50 Hz a través de una gestión activa de la oferta y la demanda de electricidad. Esto es cierto ya sea que tenga 5 o 100 centrales eléctricas. De hecho, evitar una autocorrección descontrolada por parte de las centrales eléctricas, que están diseñadas para autoconservarse cuando existe este desequilibrio entre la oferta y la demanda, es precisamente por lo que es necesario contar con deslastre.

Naturalmente, cuantas más plantas de energía tenga una red, más estable se vuelve y mejor se puede compartir el riesgo de viajes y otros problemas entre más plantas. Las 25 o más centrales eléctricas de Sudáfrica con unas 100 unidades de generación están en una posición decente en este sentido.

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Habiendo dicho lo anterior, ¿cómo sería un deslastre de carga hipotético de la etapa 20?

Con etapas significativamente más altas de deslastre de carga, esperamos que las cosas empeoren exponencialmente. La definición de Eskom implica que la desconexión de carga de la etapa 33 es posible, ya que actualmente es donde se encuentra la demanda máxima. Dado que actualmente estamos en la etapa 6, quedan otras 27 etapas de factores de deterioro por recorrer. Como la mayoría de los dispositivos eléctricos, la red eléctrica de Sudáfrica no está construida para resistir los frecuentes cortes y encendidos de energía.

Entonces, esto intuitivamente implica que la etapa 20 implicaría períodos mucho más largos y más ocurrencias de encendido y apagado de subestaciones. En lugar de que el deslastre de carga sea de unas pocas horas, podría ser de unos días a la vez. Obviamente, la metodología de deslastre de cargas se sometería a un intenso escrutinio, ya que las personas que viven en Sandton argumentarían que se les debería deslastrar menos que a las personas que viven en Soweto, ya que son más relevantes económicamente. Bueno, eso podría convertirse en un problema de cara a las elecciones, ya que la prioridad política supera a la económica.

¿Cómo nos metimos en este lío?

Sudáfrica se encuentra en esta situación en gran parte debido a una interferencia política innecesaria. Más específicamente, los llamados de los políticos para que Eskom mantuviera las luces encendidas sin importar lo que sucediera socavaron gravemente el programa de mantenimiento de la planta de Eskom que tenían implementado para abordar los problemas en ese momento. La otra razón es la decisión del gobierno en la década de 1990 de que Eskom no participara en la construcción de más capacidad eléctrica.

Observamos un ejemplo en el que nuestra red teórica de 5 GW enfrenta una demanda máxima de 7 GW, mientras que 2 de estas plantas de 1 GW están fuera de línea y en mantenimiento. Si el mantenimiento de esas plantas fuera 'priorizado', lo que significa 'hacer solo el mantenimiento más necesario' para ponerlo en funcionamiento, serían capaces de generar 300MW y 400MW reducidos, respectivamente. La interferencia quedaría de la siguiente manera:

1. Debido a la capacidad de generación insuficiente, el país se encuentra en una situación en la que se requiere la etapa 2 de deslastre

2. Debido a que dos plantas están fuera de servicio por mantenimiento, hay una demanda adicional de 2 GW que debe eliminarse, lo que lleva la etapa inicial 2 a la etapa 4.

3. Sin embargo, debido a la presión política, se daría una instrucción para mantener el deslastre de cargas en, digamos, la etapa 3 sin importar qué. Entonces, la empresa de servicios públicos observaría las plantas en mantenimiento y reaccionaría de la siguiente manera: si las dos plantas de energía, actualmente capaces de producir respectivamente 300MW y 400MW, pueden generar al menos 500MW cada una, entonces podemos asegurarnos de que la reducción de carga se limite en la etapa 3. Dicho esto, se acercaría al gerente de cada central eléctrica y se le diría que "haga lo que sea necesario para que alcancen al menos 500 MW". El gerente a su vez respondía diciendo "bueno, si pongo una curita aquí y otra allá, eso me llevaría a 500MW".

4. Se lograría la ambición de limitar el deslastre de cargas en la etapa 3. Sin embargo, esto es de corta duración ya que se producen averías imprevistas poco después debido a un mantenimiento insuficiente. El problema eventualmente volverá a mostrar su rostro a medida que las plantas de energía se descompongan aún más. Después del último desglose, la central eléctrica 1 pasaría de 500 MW a decir 200 MW de capacidad de generación, peor que antes.

5. La situación luego se repite; Debido a la presión política, ahora se le dice a la empresa de servicios públicos que limite la desconexión de carga en la etapa 4 sin importar qué.

Debería ser bastante obvio que esta es una estrategia perdedora. El problema solo puede empeorar con el tiempo. Al igual que un automóvil que necesita mantenimiento para que funcione lo suficiente a lo largo de su vida útil, lo mismo ocurre con las centrales eléctricas. Como tal, se requiere un tiempo de inactividad planificado. En una situación en la que tiene 10 plantas en la red, probablemente debería estar ejecutando 8 plantas como máximo en un momento dado, ya que 1 planta se somete a mantenimiento, sin importar la demanda, mientras que la otra está a disposición en caso de que otra necesite un mantenimiento no planificado. Esta fue la estrategia detrás de la estrategia 80:10:10 de Eskom.

En el caso de que la demanda aumente a 12 GW, aún debe mantener el suministro en 8 GW para garantizar un mantenimiento adecuado mientras construye más centrales eléctricas en segundo plano. Dado el efecto en cadena de la reducción de cargas en los ingresos del gobierno y, por lo tanto, en la financiación de Eskom, tomar atajos en el mantenimiento es una pendiente resbaladiza. Hacer esto para satisfacer la presión política es un grave paso en falso. Últimamente, esta política se llama 'priorizar el mantenimiento'.

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¿Cómo salimos de este lío?

Para solucionar el problema, necesitamos arreglar adecuadamente las plantas. Si lo hace, naturalmente, implica un deslastre de carga severo, ya que sería necesario desconectar varias unidades para que puedan repararse. Por lo tanto, niveles mucho más altos de deslastre de carga podrían convertirse en una realidad. Una realidad que duraría potencialmente unos meses. Sin embargo, después de esos meses, el deslastre de carga extremo e impredecible sería cosa del pasado. De hecho, el deslastre de carga podría desaparecer en su totalidad.

Por ejemplo, si Eskom envió un aviso hoy, diciendo que: están implementando el deslastre de carga de la etapa 10 desde septiembre de 2023 hasta diciembre de 2023; que estarán exentos los hospitales, las comisarías y las escuelas; están haciendo esto para erradicar la descarga en su totalidad a partir de 2024, ¿el sudafricano promedio se rebelaría contra este plan?

Sin embargo, esto tendría que estar bien planificado. El mantenimiento de la planta necesita muchos repuestos, la mayoría de los cuales son importados. Para realmente hacer mella en el deslastre de carga a largo plazo, el énfasis está nuevamente en las plantas que necesitan un mantenimiento completo. Si bien somos conscientes de que la economía también necesita funcionar, como los políticos que reaccionan a sus propias necesidades, creemos que la respuesta requerida es dolor a corto plazo para ganancias a largo plazo. Pero la pregunta es si el balance y la voluntad política están ahí.

Esto lleva a la siguiente pregunta.

¿Qué tipo de persona debería ser CEO de Eskom?

Hay dos criterios básicos. El individuo debe ser capaz de 1) resistir y manejar la presión política y 2) ser un implementador probado. Lo último que necesitamos es que se implemente una permutación de esta estrategia agresiva de mayor deslastre de carga y, llegado el 2024, las plantas aún no se han reparado y tenemos exactamente el mismo problema.

Todas las plantas de energía de Eskom se descomponen, al mismo tiempo... ¡¿en serio?!

Volviendo a nuestra discusión inicial sobre las causas del apagón, la otra causa plausible pero extremadamente improbable sería que todas las plantas de energía se descompongan en una capacidad de generación cero. Si esto llegara a suceder, sería completamente imperdonable. ¿Cómo diablos todas tus plantas se descomponen al mismo tiempo? Los riesgos son evidentes. Las soluciones son igualmente obvias. Si necesita escalar el deslastre de carga a la etapa 10 para poder reparar las plantas y evitar un colapso total, hágalo. Si de hecho hay sabotaje directo, ¿por qué es tan difícil de manejar? Durante el covid, el gobierno sudafricano se encargó de dictar medidas muy inconvenientes para su población que incluso vio a personas perder la vida por no adherirse a algunos de estos cambios. Sin embargo, el mismo gobierno no puede hacer frente a un puñado de delincuentes que están destruyendo toda la economía. Dicho de otra manera, este riesgo es descaradamente fácil de manejar.

En general, creemos que el escenario de un apagón nacional es muy insondable. Es una situación única en la que la incompetencia nunca antes vista en Eskom de alguna manera coordina el colapso simultáneo de todas las plantas y la pérdida de importaciones del SAPP. Bajo este escenario, gran parte de Sudáfrica estaría sin electricidad durante años, si no décadas, ya que el estado que es incapaz de mantener las plantas hoy claramente lucharía para reemplazarlas de manera efectiva cuando los recursos de la nación están en un estado extremadamente deteriorado.

Finalmente, ¿cuál es nuestra opinión sobre Karpowership?

Consideramos que el concepto de adquirir 1,2 GW a un costo de ZAR 200 000 millones durante 20 años, lo que implica una tasa de ZAR 10 000 millones al año, o un valor actual de c. se informa que cuesta un estimado de ZAR80bn. Si bien apreciamos el tiempo que lleva instalar y operar la nueva capacidad, esta diferencia de precios es, en el mejor de los casos, muy cuestionable. Como Kela, estamos bastante seguros de que el sudafricano promedio estaría de acuerdo en que unos minutos adicionales de desconexión de carga diaria es un precio barato a pagar para ahorrar ZAR200bn como país.

¿Por qué no utilizar los mismos fondos para realizar un mantenimiento adecuado y construir una nueva capacidad de generación permanente? Esto sería infinitamente mejor para el país, ya que Karpowership es similar a alquilar un generador para su casa a costos más altos que comprar un sistema solar fotovoltaico.

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Narrado por Alec Hogg