i. introducciÓn -...

I. INTRODUCCIÓN 1.0 RESEÑA HISTORICA.

Ya desde la antigüedad, se reconoció que el agua que fluye desde un nivel superior a otro inferior posee una determinada energía cinética susceptible de ser convertida en trabajo, como demuestran los miles de molinos que a lo largo de la historia fueron construyéndose a orillas de los ríos.

La fuerza del agua ha sido utilizada durante mucho tiempo para moler trigo, pero fue con la Revolución Industrial, y especialmente a partir del siglo XIX, cuando comenzó a tener gran importancia con la aparición de las ruedas hidráulicas para la producción de energía eléctrica.

La primera central hidroeléctrica moderna se construyó en 1880 en Northumberland, Gran

Bretaña. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad.

La crisis energética de 1973 y 1979, originada por la brusca subida de los precios del petróleo, propició el desarrollo de los recursos renovables autóctonos e inextinguibles, en contraposición a los recursos fósiles, limitados en el espacio y en el tiempo. Más tarde, cuando las predicciones acerca del agotamiento de los recursos fósiles resultaron ser excesivamente pesimistas, la preocupación general por el fenómeno del calentamiento global del planeta, en buena parte debida a las emisiones de CO2, SO2 y NOx en los procesos de generación de energía eléctrica con combustibles fósiles, y las incertidumbres planteadas por el futuro de los residuos nucleares, volvieron a poner de relieve las ventajas de generar electricidad con recursos renovables.

Según el MEM en el Perú el 60% de la energía generada el 2009 fue de origen hidraulico. Ahora bien, así como los aprovechamientos hidroeléctricos convencionales, en los que la importancia de la obra civil y la necesaria inundación de grandes áreas para embalsar el agua y crear la necesaria altura de salto, dan lugar a importantes impactos en el entorno, los pequeños aprovechamientos - considerando como tales los de potencia instalada no superior a 20 MW - , se integran fácilmente en el ecosistema más sensible si están bien diseñados.

Los pequeños aprovechamientos hidroeléctricos no necesitan utilizar grandes presas ni disponer de embalses, aunque si ya existen, y se pueden compatibilizar con los usos para los que fueron construidos, siempre ayudan. La mayoría de los pequeños aprovechamientos hidroeléctricos son del tipo de agua fluyente, lo que quiere decir que las turbinas generan electricidad mientras pase por ellas un caudal igual o superior a su mínimo técnico y se paran cuando el caudal desciende por debajo de ese nivel. Este tipo de aprovechamientos plantea problemas cuando tiene que abastecer una zona eléctricamente aislada, en cuyo caso habrá que diseñar el sistema para que pueda trabajar el mayor tiempo posible a lo largo del año, lo que conllevará una reducción en la potencia instalada, que será muy inferior a la económicamente óptima, y aún así no podrá cumplir sus fines si el río llegase a secarse.

En los países industrializados, y en muchos de los países en vías de desarrollo, estos aprovechamientos se conectan, en general, a la red principal. Con esta solución la red toma a su cargo la regulación de la frecuencia, pero obliga al productor a negociar con sus propietarios el precio de venta de la unidad de energía entregada, precio que hasta ahora, al menos en la mayoría de los países, ha estado regulado por los gobiernos nacionales.

UNS-Energía Hidráulica/ARRF 1

1.1.- CENTRALES ELECTRICAS

En un sentido muy amplio, por central productora de energía, entendemos toda instalación destinada a transformar energía potencial en trabajo. En base al tema en estudio las diferentes plantas productoras de energía se les nombran generalmente “centrales eléctricas”

Las centrales eléctricas están situadas cerca de las fuentes básicas de energía, o bien cerca de

los lugares donde se encuentra el mayor consumo de energía eléctrica. En las centrales eléctricas, se obtiene electricidad por medio de maquinas denominadas generadores eléctricos; son accionados por maquinas motrices conocidas como motores primarios, al conjunto “motor primario-generador” se le llama grupo

Tipos de centrales.-

Los tipos de centrales eléctricas, surgen en relación con las diversas materias primas utilizadas.

Así tenemos como centrales de producción: - centrales hidráulicas - centrales térmicas - centrales nucleares - centrales mareomotrices - centrales geotérmicas - centrales eólicas - centrales solares - centrales hidrotérmicas -

Clasificación de las centrales eléctricas.- Según el servicio que presten, las podemos clasificar:

- Centrales de base - Centrales de punta - Centrales de reserva - Centrales de socorro

1.1.1 Diagrama de carga

Este diagrama sirve para indicar la distribución de la carga ( en Mw o en Kw ) de la red ( o de la central, o grupo ) en el curso del día, semana, mes o año. Según el periodo considerado se hablara de diagrama de carga diario semanal mensual o anual.

El diagrama de carga se caracteriza por su potencia máxima ( Pmáx. ) , potencia media ( Pm ) y por la energía ( E ) representada por la superficie comprendida entre los ejes de las coordenadas y la curva de carga

Por energía producida, designamos al cúmulo de potencia aportada al sistema de consumo durante un determinado número de unidades de tiempo; así se podrá calcular la energía suministrada por una instalación en una hora, un mes, un año, etc

En el grafico de cargas, la superficie rayada, indica la totalidad de la energía suministrada en el periodo de tiempo marcado. En el grafico observamos una potencia máxima y otra mínima, así como un valor de potencia media. Esta última, se calcula dividiendo el valor total de la energía suministrada por el tiempo en que se efectuó tal suministro.

Fig.1.2 Grafico de cargas


Para una instalación concreta podemos diseñar gráficos de cargas diarios, mensuales, anuales etc. En las figuras se representa cuatro tipos característicos de diagrama de carga diario de una red.

Fig.1.3 Diagrama de carga de industria a ciclo continuo Fig.1.4 Diagrama de carga de industria manufacturera

Fig.1.5 Diagrama de carga de pequeño pueblo sin industrias Fig.1.6 Diagrama de carga de una gran ciudad

La forma del diagrama de carga diario tiene una influencia determinante sobre el costo de la energía y por lo tanto debe ser estudiada cuidadosamente en etapa de proyecto de la central.

La mayor o menor “bondad” de un diagrama de carga puede fácilmente expresarse numéricamente con un factor “ Fc “ que llamaremos factor de carga dado por la relación entre la energía producida efectivamente y la energía producible si la potencia máxima trabajara durante todo el periodo considerado.


horasE

Podemos entonces escribir: Pm = , es la potencia constante necesaria para suministrar,

durante las horas consideradas, la energía “ E ” resultante del diagrama, el factor de carga se puede definir también como la relación entre la potencia media y la potencia máxima.

hxPE

máx .máx

m

PP

Fc = ; Fc =

Puede ocurrir el caso (común en casi todos los grandes sistemas eléctricos ) que la máquina haga parte de un grupo de centrales que alimentan una red extensa cuyo diagrama de carga tiene valores muy superiores a la potencia de una máquina. (Ver fig.)

Fig.1.7 Diagrama de carga de una red con tres centrales y 5 grupos

En este caso hay que distinguir entre el diagrama de carga de la red y el diagrama de carga de la máquina o de la central. En efecto, si llamamos , , , 'E'

.máxP '.minP '

.mP los datos característicos del diagrama de carga de una red ( ver fig) alimentada por tres centrales A,B,C, de las cuales la primera tiene una sola máquina, la segunda 2 máquinas y la tercera también 2 máquinas, podemos distinguir entre el diagrama de carga general ( cuyo factor de carga es por ejemplo 0.7 ) y el diagrama de carga de la central ( la central A con factor de carga 0.9, la B con factor de carga 0.72 y la C con factor de carga igual a 0.3 ).

A su vez en la central B, con dos máquinas, puede especificarse el diagrama de carga de cada grupo. Estos últimos no tienen que trabajar forzosamente con la misma carga; mientras el grupo B1 trabaja mayormente de base por, ejemplo con factor de carga Fc = 0.9, el grupo B2 trabaja con factor de carga Fc = 0.6

En la central C el caso puede ser el mismo; los dos grupos podrían trabajar con la misma carga y producir la misma energia o bien, asi como representa en la figura, uno tiene Fc = 0.4 y el otro Fc = 0.2


Factor de planta

Cuando se estudia el proyecto de una central, sea ella la primera de la red o simplemente una nueva central de un sistema ya existente, se toma de base el diagrama de carga actual y se construye el diagrama futuro referente a un determinado año que interesa, es decir por ejemplo dos o tres años mas tarde del año en que se piensa entre en servicio la central proyectada.

Esto porque se supone la central debe suministrar la energía por lo menos dos o tres años (a

veces 5 o 10 años) antes que el incremento vegetativo por aumento de la población y por aumento del consumo específico, obligue a recurrir a otra planta para cubrir la demanda. Así se determina la potencia de la central a proyectarse debido a que para completar el proyecto de una central se requiere generalmente mas de un año para su construcción se necesita quizás unos 2 o 3 años, el diagrama de carga debe ser extrapolado hasta 6 o 7 años mas tarde del diagrama escogido como base de estudio.

Fig. 1.8 Desarrollo del diagrama de carga para el estudio de nuevo proyecto de central

De la figura 1.10 resulta que: 1) En el momento de iniciar el proyecto de la central existe en la red una reserva para cubrir el

incremento vegetativo de la demanda durante los años que faltan hasta la puesta en marcha de la central

2) Además de la reserva mencionada debe existir una reserva de potencia para la puesta fuera de servicio de un grupo ( por lo menos lo de mayor potencia de la red ) por razones de manutención periódica o imprevistos.

3) En el momento de entrar en servicio la nueva central, la potencia de esta última recién empieza a utilizarse.

A consecuencia de las consideraciones hechas, se nota que existirá siempre una diferencia entre

el valor de la potencia instalada y el valor de la potencia máxima de la demanda. La diferencia es dada por la suma de un factor que va disminuyendo en el transcurso de los años más un factor aproximadamente constante ( la “reserva de máquinas”).

Debido a las existencias de estas definiciones podemos mencionar, además del factor de carga,

utilizado para caracterizar los diagramas de carga de una red o de una central, otro factor al cual se le

denomina Factor de planta: “ ” PF

hxPE

IPF =

Donde: Es la potencia instalada (suma de la potencia de placa de los diferentes grupos de plantas). IP


1.2 CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

En estas centrales el agua, originalmente retenida o almacenada y posteriormente encauzada y controlada; y debido a la energía cinética desarrollada en su descenso, o a la energía de presión; acciona directamente las maquinas motrices que, en estas centrales, reciben el nombre de turbinas hidráulicas.

Clasificación de las centrales hidroeléctricas.- Hay que distinguir las que utilizan el agua según discurre normalmente por el cauce de un río, y aquellas otras a las que ésta llega, convenientemente regulada, desde un lago o pantano. Se denomina respectivamente:

Según el discurrir del agua 1. Centrales de Agua Fluente 2. Centrales de agua embalsada:

• Centrales de Regulación • Centrales de Bombeo.

Según la altura del salto de agua o desnivel existente:

1. Centrales de Alta Presión 2. Centrales de Media Presión. 3. Centrales de Baja Presión

Centrales de Agua Fluente:

Llamadas también de agua corriente, o de agua fluyente. Se construyen en los lugares en que la energía hidráulica debe ser utilizada en el instante en que se dispone de ella, para accionar las turbinas hidráulicas. No cuentan prácticamente con reserva de agua, oscilando el caudal suministrado según las estaciones del año. En la temporada de precipitaciones abundantes (de aguas altas), desarrollan su potencia máxima, y dejan pasar el agua excedente. Durante la época seca (aguas bajas), la potencia disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en la época del estío.

Los aprovechamientos de media y alta caída en ríos de fuerte pendiente, utilizan un azud o presa, generalmente de baja altura, que remansa el agua elevando su cota para desviarla hacia una estructura de toma. Desde esta, una tubería a presión conduce el agua directamente a la central. Las tuberías a presión son relativamente caras por lo que esta solución muchas veces tiene un coste elevado. La alternativa (Fig 1.9) es llevar el agua por un canal de poca pendiente, que discurre paralelo al río, hasta la cámara de carga, desde la que una tubería forzada la conduce a presión a la casa de máquinas. Si las características topográficas o morfológicas del terreno no son favorables, el canal puede no ser la solución óptima. En estos casos, una tubería de baja presión, aunque generalmente más costosa en sí misma, puede resultar económica. A la salida de las turbinas el agua se restituye al cauce mediante un canal de desagüe. En ocasiones la presa de derivación se dimensiona para crear un pequeño embalse con capacidad para poder turbinar solo en horas punta, en las que el precio pagado por el kWh es más favorable. En otras, la cámara de presión puede convertirse en un pequeño depósito regulador, aprovechando las posibilidades que ofrecen hoy los geotextiles. Los aprovechamientos de baja altura son esquemas típicos de valle, que admiten dos soluciones. O bien un canal, similar al de los aprovechamientos de montaña, conduce el agua a una cámara de carga de la que sale una tubería forzada corta (Fig. 1.10), o no existiendo topográficamente altura de salto, este se constituye mediante una presa, generalmente provista de aliviaderos de compuerta. En


este tipo de centrales, la presa, la toma de agua y la casa de máquinas propiamente dicha, con su escala de peces adosada, forman una estructura única (figura 1.11).

Fig. 1.9 Aprovechamiento hidráulico

Fig. 1.10


Figura 1.11 presa de compuertas y casa de maquinas integradas


Centrales de Agua Embalsada: Se alimenta del agua de grandes lagos o de pantanos artificiales (embalses), conseguidos

mediante la construcción de presas. El embalse es capaz de almacenar los caudales de los ríos afluentes, llegando a elevados porcentajes de captación de agua en ocasiones. Este agua es utilizada según la demanda, a través de conductos que la encauzan hacia las turbinas. La central suele situarse a pie de presa, alimentada por un conducto existente en el fondo (Fig. 1.4), o por un sifón en caso de que no existiese ninguna toma de agua prevista. En este último caso, la tubería forzada pasa sobre el borde superior de la presa sin apenas afectar a su estructura.

Figura 1.4 central a pie de presa

Centrales de Regulación: Tienen la posibilidad de almacenar volúmenes de agua en el embalse, que representan

periodos más o menos prolongados de aportes de caudales medios anuales. Prestan un gran servicio en situaciones de bajos caudales, ya que el almacenamiento es continuo, regulando de modo conveniente para la producción. Se adaptan bien para cubrir horas punta de consumo.

Centrales de Bombeo: Se denominan 'de acumulación'. Acumulan caudal mediante bombeo, con lo que su actuación

consiste en acumular energía potencial. Pueden ser de dos tipos, de turbina y bomba, o de turbina reversible. La alimentación del generador que realiza el bombeo desde aguas abajo, se puede realizar desde otra central hidráulica, térmica o nuclear. No es una solución de alto rendimiento, pero se puede admitir como suficientemente rentable, ya que se compensan las pérdidas de agua o combustible.

Centrales de Alta Presión: Aquí se incluyen aquellas centrales en las que el salto hidráulico es superior a los 200 metros

de altura. Los caudales desalojados son relativamente pequeños, 20 m3/s por máquina. Situadas en zonas de alta montaña, y aprovechan el agua de torrentes, por medio de conducciones de gran longitud. Utilizan turbinas Pelton y Francis.

Centrales de Media Presión: Aquellas que poseen saltos hidráulicos de entre 200-20 metros aproximadamente. Utilizan

caudales de 200m3/s por turbina. En valles de media montaña, dependen de embalses. Las turbinas son Francis y Kaplan, y en ocasiones Pelton para saltos grandes.


Centrales de Baja Presión: Sus saltos hidráulicos son inferiores a 20 metros. Cada máquina se alimenta de un caudal que

puede superar los 300m3/s. Las turbinas utilizadas son de tipo Francis y especialmente Kaplan. 1.3.1Componentes de las centrales hidroeléctricas

Mencionaremos los componentes fundamentales que conforman dichas instalaciones, la cual la dividimos en dos grandes conjuntos:

En el primero, consta todo tipo de obras, equipos etc., cuya misión podemos resumir diciendo que es la de almacenar y encauzar el agua. A este primer grupo se le suele identificar como Presa – Embalse. Así tenemos:

o Embalse o Presa y aliviaderos o Tomas y deposito de carga o Canales, túneles y galerías o Tuberías forzadas o Chimeneas de equilibrio

El segundo conjunto engloba los edificios, equipos. etc., mediante los cuales, y después de las

sucesivas transformaciones de la energía, llegamos a obtener esta en forma de energía eléctrica. Este conjunto constituye la autentica central. Tenemos:

• Turbinas hidráulicas • Alternadores • Transformadores • Sistemas eléctricos de media, alta y muy alta tensión • Sistemas eléctricos de baja tensión • Sistema eléctrico de corriente continua • Medios auxiliares • Cuadros de control.

1.2.1 Definición de pequeños aprovechamientos

No existe consenso, para definir la pequeña hidráulica. Algunos países como Portugal, España, Irlanda y más recientemente Grecia y Bélgica, consideran "pequeñas" todas las centrales cuya potencia instalada no supera los 10 MW. En Italia el limite parece situarse en los 3 MW (la energía procedente de plantas de mayor tamaño se vende a un precio sensiblemente inferior), en Francia el limite está en 8 MW y el Reino Unido parece favorecer la cifra de 5 MW. En lo que sigue se han adoptado los 10 MW, siguiendo el criterio de 5 países miembros, la Comisión Europea, la ESHA y la UNIPEDE (Unión Internacional de Productores y Distribuidores de Electricidad). Las organizaciones ONUDI (organización de las naciones unidas para el desarrollo industrial) y la organización latinoamericana de energía (OLADE) hacen la siguiente clasificación INSTITUCION PICO MICRO MINI PEQUEÑA

CENTRAL CENTRAL CENTRAL CENTRAL ONUDI 0,1-1kW 1- 100 kW 100-1000 kW 1000- 10000 kW OLADE - 0- 50 kW 50- 500 kW 500-5000 KW


1.3 PLANIFICACIÓN Y EVALUACIÓN DE UN APROVECHAMIENTO

El estudio de un aprovechamiento constituye un proceso complejo e iterativo, durante el cual, se comparan desde una óptica económica, pero sin perder de vista su impacto ambiental, los diferentes esquemas tecnológicos posibles, para terminar escogiendo el que más ventajas ofrece. Las posibles soluciones tecnológicas vienen condicionadas además de por los factores ya mencionados, por la topografía del terreno y por la sensibilidad ambiental de la zona. Así pues, aunque es difícil elaborar una guía metodológica para la evaluación de un aprovechamiento, sí se pueden indicar los pasos fundamentales que hay que seguir, antes de proceder o no a un estudio detallado de factibilidad. Estos pasos se pueden definir como: . Identificación topográfica del lugar, incluido el salto bruto disponible . Evaluación de los recursos hidráulicos, para calcular la producción de energía . Definición del aprovechamiento y evaluación preliminar de su costo . Evaluación del impacto ambiental y estudio de las medidas correctoras . Posibilidades de financiación y estudio económico del aprovechamiento . Conocimiento de los requisitos institucionales y de los procedimientos administrativos para su autorización. El comportamiento del agua fluyendo por los cauces naturales, vertiendo sobre los aliviaderos, circulando por los canales y tuberías a presión y accionando las turbinas, obedece a unos principios hidráulicos, basados en la mecánica de los fluidos y en la experiencia acumulada durante siglos. Se estudiaran esos principios, con la extensión y profundidad coherentes con las pequeñas centrales. Para estudiar la viabilidad de un aprovechamiento es necesario comenzar por evaluar su potencial energético, que es una función del caudal que se puede turbinar y del salto disponible,distancia medida en vertical, entre el nivel de la lámina de agua en la derivación y a la salida de la turbina. El salto se puede medir fácilmente con un nivel, un taquímetro o un clinómetro, y salvo en los saltos de poca altura puede considerarse que permanece constante. El caudal por otra parte viene afectado por multitud de factores: pluviometría, naturaleza del terreno, cubierta vegetal, y temperatura en la cuenca de recepción. Hoy en día hay muchas cuencas que disponen de series temporales de caudales perfectamente fiables. Luego hay que contemplar las técnicas utilizadas para evaluar un emplazamiento: cartografía, geomorfología, trabajos de campo, etc. se estudian las estructuras hidráulicas que integran, o pueden integrar, un aprovechamiento - azudes, tomas de agua, canales hidráulicos, túneles, aliviaderos etc, - y el estado del arte para su diseño. Se verán los equipos electromecánicos que convertirán la energía potencial del agua, en energía eléctrica. Se estudian los tipos de turbinas existentes y sus campos de aplicación, los multiplicadores que con frecuencia se intercalan entre turbina y generador, y los generadores propiamente dichos. Dada la extensión alcanzada por los sistemas automáticos se pasa revista a sus posibilidades actuales, que son inmensas. En ningún caso se pretende profundizar en la teoría del funcionamiento de los distintos componentes, considerando que este dominio pertenece a los fabricantes, pero se dan criterios para su correcta selección. No podemos actualmente dejar de lado el l tema medioambiental, resaltando las ventajas que, desde el punto de vista global, ofrece este recurso, ventajas que no eluden la necesidad de mitigar los impactos en el ecosistema local. El tema es amplísimo y, en los momentos actuales, decisivo para la obtención de la autorización administrativa. Se explicitan las técnicas de análisis económico generalmente utilizadas para la toma de decisiones. Se comparan las diversas metodologías utilizadas, explicándolas sobre la base de tablas que muestran los flujos de caja generados por el aprovechamiento en estudio


1.4 ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA

El análisis de la demanda es un aspecto importante para el diseño o estudio de una pequeña central hidroeléctrica. Sus resultados deben aportar el consumo actual de la población a la que se desea suministrar energía, y con estos, proyectar la demanda durante un periodo de tiempo según necesidad. Por tratarse de un análisis en zonas rurales aisladas, donde las poblaciones se encuentran alejadas de los grandes servicios interconectados y muchas veces aún sin servicio eléctrico alguno, no es posible aplicar los métodos tradicionales para la estimación de la demanda futura de un país como la extrapolación de la demanda anterior o modelos econométricos en base a indicadores nacionales o departamentales. Cada región aislada tiene sus propias características de densidad, crecimiento poblacional, infraestructura, servicios existentes, recursos naturales y potenciales de producción. Por lo tanto, cada región aislada prevista para la electrificación necesita una evaluación particular de su potencial de desarrollo y su futura demanda de energía eléctrica, tanto en gabinete como en campo. En este sentido, lo que se presenta es recomendaciones y lineamientos para la evaluación de la demanda en pequeños sistemas aislados.

1.4.1. Metodología

La estimación de la demanda se realiza en dos etapas. La primera etapa, en el gabinete,

incluye la preparación de materiales y herramientas para el estudio de campo. La segunda etapa es de trabajo de campo. Las tareas de cada etapa son

Trabajo en gabinete: o Búsqueda de mapas de ubicación y topografía de la zona de trabajo o Ubicación e identificación de las vías de acceso y las facilidades de transporte o Ubicación y levantamiento de información estadística sobre la población de las localidades

involucradas en el proyecto, número de viviendas, servicios básicos existentes y otros o Preparación de fichas de encuestas: características domiciliarias, principales actividades,

producción, ingresos, gasto actual en energía, acceso de la población Trabajo de campo:

o Coordinación con las autoridades, líderes locales y representantes de las organizaciones de base

o Entrevistas a las autoridades para conocer sus planes de desarrollo o Evaluación del grado de organización de las diferentes instancias que participan en el proceso o Encuestas o Identificación de las instituciones públicas, servicios básicos existentes, negocios e industrias o Realización de talleres de identificación de necesidades y demandas o Preparación de la población para un adecuado uso de la electricidad en la mejora de las

actividades tradicionales de la comunidad o Verificación de los proyectos ejecutados y en gestión


1.4.2. Estimación de la demanda actual

El suministro de energía eléctrica tiene el propósito mejorar las condiciones de vida del usuario al ofertar energía para el uso doméstico y productivo con un servicio confiable durante todo el año. Por esta razón, es necesario que se tenga una idea clara del estado energético la comunidad, además de otros factores como la situación económica, productividad y perspectivas para el desarrollo de esta, pues la energía eléctrica trae no solamente beneficios paras los usuarios, sino también obligaciones. > 1.4.2.1. Información básica

Ortiz (2001), sugiere que, con el fin de identificar la demanda actual de la comunidad o centro poblado al que se planea suministrar energía, se debe conocer información que refleje el consumo energético:

• Población • Tasa de crecimiento • Número de viviendas o usuarios • Capacidad instalada en negocios, talleres, servicios, industria

1.4.2.2. Cálculo de la demanda actual

En pequeños sistemas aislados rurales, la estimación de la demanda actual se realiza generalmente en base a la potencia, es decir a la demanda máxima de potencia. A continuación se presentan dos métodos basados en la potencia y un método que incluye un análisis mayor en términos de consumo de energía.

a. Método de Nosaki Método empírico basado en el análisis de experiencias pasadas puede servir para realizar una

estimación rápida de la demanda actual. El método asume que la potencia instalada per cápita tiene un rango total que depende del número de habitantes. Para calcular la demanda promedio, se promedia el valor más alto y el más bajo de los rangos establecidos por poblaciones. En primer lugar, se considera la demanda proporcionada por la tabla 1 en función del número de habitantes. Calculemos la demanda de un centro poblado de 850 habitantes.

( ) kWactualDemanda 252

3515=

+=

En segundo lugar, se corrige la demanda de acuerdo a las características sociales de la comunidad o centro poblado (ingresos, acceso a mercados, negocios, industrias, etc.)

Tabla 1 Demanda para distintas poblaciones Población

(habitantes) Demanda de potencia

(kW)

500 a 1000 15-35

1000 a 2000 35-80

2000 a 4000 80-180

4000 a 10 000 180-500

10 000 a 20 000 500 - 1200


b. Método desarrollado por Soluciones Prácticas El método considera cuatro tipos de cargas, con los siguientes detalles:

o Demanda doméstica: demanda residencial, estimando una potencia de entre 250 y 400 W/vivienda. Se toma en cuenta su ubicación geográfica, tamaño promedio de las viviendas, número y tipo de focos a utilizar, equipos electrodomésticos y otros.

o Demanda institucional: se estima una potencia en base a las instituciones existentes (escuelas, postas de salud, municipio, local comunal, iglesia).

o Demanda industrial: se basa en las industrias y su posible tecnificación con el apoyo de la energía eléctrica (bodegas, hoteles, carpinterías, aserraderos, peladoras de arroz). En pequeños centros poblados, esta demanda es mínima o nula, sin embargo de acuerdo a las características del centro poblado, su ubicación y producción se puede estimar una demanda de potencia.

o Alumbrado público: esta carga está compuesta por el número de luminarias que se quiere instalar para este servicio.

o Toda esta información es vaciada en una tabla en la que se incluirán factores de simultaneidad y uso (ver tabla 2). No todas las demandas se producen simultáneamente y es claro que de acuerdo al grado de pobreza o desarrollo, el consumo industrial variará durante la noche. Esto nos lleva a considerar una demanda diurna y una nocturna. Hay dos factores a considerar:

Factor de simultaneidad (fs): es la posibilidad de que un número de usuarios utilicen el mismo equipo en el mismo momento, varía entre 0 y 1

Factor de uso (fu): es la intensidad en el uso de los equipos, varía entre 0 y 1

Tabla 2 cálculo de la demanda Carga diurna Carga nocturna Tipo de

carga Potencia máxima

(kW) fs fu kW fs fu kW

Domestica

Institucional

Industrial

Alumbrado público

Total diurno Total nocturno

Al resultado final, la mayor potencia hallada en uno de los horarios (diurno o nocturno), se suman las pérdidas en las redes de transmisión eléctrica (entre 5 y 10 %), lo que nos dará la demanda actual a considerar en el diseño del sistema.


c. Método de demanda de energía desarrollado por Ortiz (2001)*

A continuación, trabajaremos de forma sintética con partes del método desarrollado por Ramiro Ortiz, en su libro, Pequeñas centrales hidroeléctricas (2001), metodología más rigurosa, que requiere mayor información acerca de las actividades de la comunidad o centro poblado:

o Actividades en el hogar: hora de acostarse, levantarse, preparar los alimentos, etc. o Actividades industriales y comerciales: agricultura, industria maderera, pesca, ganadería,

minería, bodegas, restaurantes, hoteles y otros. o Servicios públicos: colegios, escuelas, salud, comunicaciones, agua y saneamiento

Con la información recabada se obtiene una visión de las necesidades de la comunidad y puede asignarse una demanda o potencia eléctrica a cada una de ellas, en lo que respecta a cada uno de los sectores:

o Demanda residencial: se debe tomar una vivienda representativa y proyectarla hacia el total de las viviendas. La información de la demanda residencial se dividirá en: iluminación; conservación y preparación de alimentos y; recreación y comodidades.

o Demanda industrial y comercial: se pueden prever casos individuales de acuerdo al tipo de industria y considerar, según sea el caso, una muestra representativa de una industria mayoritaria, si fuera necesario. Algunos datos de la demanda industrial se pueden ver en la tabla 3.

o Servicios públicos: la energía eléctrica aportará soluciones en materia de salud, educación, comunicaciones y alumbrado público

Tabla 3 Potencia media de algunos equipos eléctricos Residencial Potencia (w)

Congeladora 350 Computadora 400 Televisor 100

Radio Grabadora 30 Equipo de sonido 100 Licuadora 300 Ventilador 100 Máquina de coser 125 Plancha 1000 Cocina Eléctrica (cada hornilla) 1500

Agroindustria Potencia (Kw) Aserradero 30 - 60 Carpintería 3 - 15 Trapiche 10 - 20 Telares 2 - 6 Molino de granos 3 - 20 Piscifactoría 6 - 30 Toda la información obtenida es vaciada en la tabla 4. En su segunda columna se coloca la potencia del equipo eléctrico a utilizar. La tercera columna corresponde al coeficiente de simultaneidad (CS), este valor es directamente proporcional al número de usuarios, tipo de actividad y horario de uso. La cuarta columna es el número de usuarios: residenciales, industriales, comerciales o servicios públicos.

El horario de uso (24 horas), está dividido en periodos según la actividad de la comunidad. Esta división se obtiene de la información recogida en campo. En la tabla 5 se consideró la siguiente distribución.


Tabla 5 PERIODO ACTIVIDAD

0-6 Descanso 6-8 Desayuno 8-12 Actividad industrial 12-14 Almuerzo 14-18 Actividad industrial 18-20 Comida 20-22 Recreación 22-24 Descanso

La demanda potencial en un periodo correspondiente a una actividad dada en la tabla 5 se obtiene como el producto de la potencia del equipo eléctrico usado en ese periodo por el coeficiente de la simultaneidad, multiplicado por el número de usuarios. El total de la demanda potencial del periodo en mención será la suma de todas las demandas potenciales, de forma que al final se obtendrá el total de la demanda en cada periodo de horas, denominándose la hora de mayor valor demanda pico.

d. Cálculo de la demanda con el método REA

El método de la REA (Rural Electricity Administration o Administración de electricidad rural de los Estados Unidos de Norteamérica), se basa en dos factores:

• Factor A: Número de familias beneficiadas de la siguiente manera:

( )[ ]5,02 404,04,01. ++−= NxxNNxAFact

Donde: N = número de familias beneficiadas por categoría

• Factor B: Consumo específico por beneficiario

( ) 85,0005925,0. espCxBFact = Donde:

Cesp = consumo específico

La demanda para el año de inicio se obtiene multiplicando ambos factores: [ ]kWBFactAxFactPot .max =

En cuanto al consumo de energía por año (consumo anual), se obtiene a partir de la siguiente ecuación:

[ ]añokWhxNxCE esp /12=


e. Cálculo de la demanda propuesto por PPL/GTZ Para determinar la demanda a través de este método se deben considerar varios factores,

como la curva de demanda en base a los requerimientos, el factor de simultaneidad, índice de cobertura y tiempo de utilización de los artefactos. La determinación del factor de simultaneidad del conjunto de equipos que poseen una determinada familia se realiza a partir de la potencia instalada y la potencia máxima de utilización, con la siguiente fórmula:

insS P

Pf max=

Para un mayor consumo, las curvas de demanda de los consumidores individuales se solapan y forman una curva global. La curva de punta de red no es idéntica a la suma de las cargas de punta individuales, porque la probabilidad de que todos los consumidores conectados a la red consuman energía al mismo tiempo es casi nula. La relación entre la potencia máxima que se establece en un instante y la suma de las potencias máximas individuales de todos los abonados conectados se denomina factor de simultaneidad del sistema. Para una red utilizada por consumidores similares (suponiendo la misma potencia y el mismo periodo de conexión: categoría residencial), se tiene la siguiente relación:

( )5,0

1N

fff SSSn

−+=

Con el factor de simultaneidad del conjunto de consumidores de la misma categoría, se determina la demanda máxima usando la siguiente relación:

[ ]kWxPNxFD insSn=

Donde: N = número de usuarios Pinst = potencia instalada Fsn = factor de simultaneidad del conjunto de consumidores.

> 1.4.2.3. Estimación de la demanda futura La demanda futura es el pronóstico del crecimiento de la demanda potencial o actual en energía

o potencia en un periodo de tiempo preestablecido por el diseñador del sistema (micro o minicentral hidroeléctrica). El crecimiento de la demanda debe calcularse de forma cuidadosa, ya que se realiza en base a estimados de natalidad, mortalidad, migración, perspectivas de desarrollo y otros. a. Fórmula estadística

Un método sencillo para la estimación de la demanda futura es la aplicación de fórmulas estadísticas que incluyen como variables la demanda actual, tasa de crecimiento y el número de años de proyección. El método considera un crecimiento uniforme a lo largo del periodo considerado.

( )nn iPP += 1.0 Donde:

Pn = potencia proyectada al año n (kW) P0 = potencia estimada para el año 0 (kW) i = índice o tasa de crecimiento considerado n = número de años de proyección (10 a 30 años)

Es posible, por ejemplo, en base a la tabla 4, estimar o calcular la demanda futura año a año, incluyendo una tasa de crecimiento por año, en particular para los primeros cinco años, donde es posible que la tasa de crecimiento varíe por el hecho de la puesta en servicio del sistema eléctrico (ver tabla 6).


Tabla 6. CRECIMIENTO DE LA DEMANDA POR POTENCIA Y POR ENERGIA SEGÚN EL TIPO DE USUARIO

Residencial Industrial y comercial Servicios públicos Potencia Energía Potencia Energía Potencia Energía

Año

% Vatios % Kwh % Vatios % Kwh % Vatios % Kwh 0 1 2 3 4 5 t

b. Método Momenco

Se trata de una metodología formulada por la compañía consultora canadiense Monenco (Montreal Engineering Company), válida para localidades de menos de 20 000 habitantes. La metodología comprende el análisis de los siguientes rubros: • Proyección de la población • Proyección del número de viviendas • Proyección del número de abonados domésticos • Proyección de los consumos de energía unitario y neto en el sector doméstico • Proyección del consumo de energía en el sector comercial • Proyección del consumo de energía en el sector alumbrado público • Proyección del consumo de energía en el sector industrial • Proyección del consumo de energía de cargas especiales • Proyección del consumo neto total • Proyección de la máxima demanda Cada rubro contiene parámetros o tablas para la obtención de valores numéricos a cada proyección. > 1.4.2.4. Curva de carga

También se tiene presente la curva de carga, que representa el comportamiento de la demanda del sistema y está sujeta normalmente a fluctuaciones periódicas y cambios tendenciales. En el caso de las fluctuaciones periódicas, pueden ser de mayor importancia las variaciones originales en las horas del día (mañana, tarde y noche), de la semana o fluctuaciones estacionales. La causa de cambios tendenciales puede ser:

• Sustitución de otras fuentes de energía por la corriente eléctrica • Creciente mecanización en el sector productivo (si lo tuvieran) • Creciente tecnificación en los hogares El comportamiento del sector rural está definido por las costumbres de sus habitantes y el ritmo

de vida que ellos llevan, por lo que se puede esperar una curva de carga típica durante todo el proyecto. En base a una planilla de carga diaria y estableciendo el tiempo de utilización de energía durante el día en cada categoría, se tienen curvas de demanda diarias. Solapando las diferentes curvas, se determina la demanda total del sistema.

De esta manera se determinan las situaciones de mayor simultaneidad posible, a fin de obtener una curva que exija la mayor potencia al sistema y que se deba adoptar como representativa. A partir de esta, se procederá a proyectar la curva de carga para cada quinquenio y de esta manera tener una visión más clara del comportamiento de la demanda.


i. introducciÓn -...

Documents