Revista Científica Politécnica Artículos Científicos -Ingeniería Eléctrica 4 Beneficios Asociados a la Operación Coordinada de las Usinas Hidroeléctricas Brasileñas junto con las Usinas Binacionales de Itaipu, Corpus y Yacyreta. 1 2 Anastacio Sebastián Arce Encina , Amado Jordán Marecos Sarubbi ,Marcelo A. Cicogna 2 1 Central Hidroeléctrica de Itaipu Hernandarias, Paraguay 2 Universidad Estatal de Campinas São Paulo Brasil Resumen. En este trabajo se presenta un estudio que evalúa la operación coordinada de las usinas hidroeléctricas brasileñas junto con las usinas hidroeléctricas binacionales de Itaipú, Corpus y Yacyretá. Para alcanzar este objetivo, fueron considerados dos casos. En el primero, se estudia la operación coordinada de las principales usinas hidroeléctricas de las regiones Sudeste y Sur del Brasil. La operación de las usinas hidroeléctricas binacionales es obtenida a través de un modelo de simulación, en el cual las usinas binacionales operan como usinas de pasadas. En el segundo caso, se analiza la operación coordinada de las usinas hidroeléctricas brasileñas junto con las usinas hidroeléctricas binacionales. De la comparación de resultados de ambos casos, se obtienen los beneficios asociados a la operación coordinada. La optimización de la operación energética se obtiene a través de un modelo de optimización determinística, que aplica algoritmos de flujo en redes no lineal con arcos capacitados. Las usinas son representadas de manera individualizada. En los estudios se utiliza la serie de caudales naturales, valores promedios que cubren el período que abarca de 1931 a 1997. Los beneficios asociados a la operación coordinada apuntan a la reducción de vertimientos y una ganancia efectiva de 147 MWmedios. Palabras claves: Central hidroeléctrica, central termoeléctrica, simulación, energía firme, despacho económico Abstract. This work presents an evaluation of the co-ordinated operation of brazilian hydroelectric dams, together with the bi-national ones of Itaipu, Corpus and Yasyretâ. So, two case studies were made. First, it is analysed the co-ordinated operation of the principal dams of the brazilian southeast and south regions. The bi-national dams operation is obtained by a simulation modeling in which they operate as passed dams. Secondly, it is analysed the co-oordinated operation of the brazilian and the bi-national dams altogether. Te comparison of the two cases results, shows the benefits associated to the coordinated operation. The energetic operation optimization is got through a deterministic model that applies non-linear network flux algorithms with capacity arcs. Dams are represented individually. Natural flow series are applied in these studies; average values covering the period from 1931 to 1997. The benefits associated to co-ordinated operation points towards pourig reduction and an effective gain of 147 Mw. Kekwords: Hydroelectric central, thermoelectric central, simulation, firm energy, economical dispatch. 1. Introducción Mercosur. El Mercado Común del Sur, Mercosur, fue creado en 1991 por el Tratado de Asunción con el objetivo, entre otros, de implantar la libre circulación de bienes, servicios y factores productivos; coordinación de políticas macroeconómicas y sectoriales y armonización de las legislaciones nacionales y para una mayor integración entre Argentina, Brasil, Paraguay, y Uruguay, los países que formaron inicialmente el Los primeros pasos para la integración entre los países citados fueron dados a través del sector electro energético. Las primeras interconexiones entre países fueron verificadas en la década del 60. La usina hidroeléctrica Acaray, construida en el Río Acaray afluente del Río Paraná, cuya capacidad instalada es de 200 MW estuvo 31 Revista Científica Politécnica interconectada al sistema eléctrico argentino a través de la provincia de Misiones, como también al sistema eléctrico brasileño, a través del Estado de Paraná. Esa interconexión fue posible porque la usina estaba equipada con 2 máquinas que generan en 50 Hz, la frecuencia de los sistemas eléctricos de la Argentina y del Paraguay, y 2 máquinas que podían operar indistintamente en 50 o en 60 Hz. La frecuencia del sistema eléctrico brasileño es 60 Hz (ANDE). En la década del 70, fue construida en el Río Uruguay la usina de Salto Grande, un aprovechamiento binacional entre la Argentina y el Uruguay, con capacidad instalada de 1.890 MW. Ella está conectada a los sistemas eléctricos del Uruguay y Argentina a través de líneas de 500 kV (UTE). En la década del 70 y 80 fueron construidas otras grandes usinas hidroeléctricas en el Río Paraná. La usina hidroeléctrica de Itaipu, emprendimiento binacional entre el Brasil y el Paraguay, tiene la capacidad instalada de 12.600 MW. Otro emprendimiento binacional es la usina de Yacyreta, llevado a cabo entre el Paraguay y la Argentina con una capacidad instalada de 3.200 MW. La usina de Itaipu posee 18 unidades generadoras, de las cuales 9 unidades operan en 50 Hz y 9 unidades generadoras operan en 60 Hz. La producción de estas unidades generadoras es inyectada directamente en el sistema eléctrico brasileño a través de un sistema de transmisión de 765 kV. Por otro lado, del total de la producción de las unidades generadoras de 50 Hz, una parte es inyectada en el sistema eléctrico paraguayo y el restante es transferido al sistema eléctrico brasileño en la forma de corriente continua, que nuevamente es transformada en corriente alternada en São Paulo, sin embargo ya en la frecuencia de 60 Hz. (ITAIPU, ONS, ANEEL). La usina de Yacyreta opera hoy en una altura de salto reducida de 15,5 m.s.n.n, cuando futuramente debe operar con una altura del salto de 21,3 m.s.n.m. La disminución de la altura del salto significa una reducción de su capacidad producción de 170 a 100 MW por máquina. Esta situación debe ser superada luego de la conclusión de las obras auxiliares asociadas a la presa. La mayor parte de la producción de la Artículos Científicos -Ingeniería Eléctrica usina es inyectada en el sistema eléctrico argentino a través de líneas de 500 kV. La conexión con el sistema eléctrico paraguayo es a través de una línea de 220 kV, con el cual alimenta la región sur del sistema eléctrico paraguayo. La interconexión eléctrica entre Brasil y Argentina, a través del sistema eléctrico paraguayo, se encuentra aún en estudio. (UTE, CAMMESA). Corpus es un proyecto de usina cuya localización sería el Río Paraná, entre las usinas de Itaipu y Yacyreta, con 2.800 MW de capacidad instalada. El proyecto de Corpus fue evaluado en tres lugares probables de localización: en Itacua, Itacurubí y en Pindo'i. La localización de Pindo'i es la mas indicada por lo que representa en términos de impacto ambiental y área inundada (COMIP). La Figura 1, muestra los lugares probables de localización. Figura 1 Lugares probables de localización de Corpus Las interconexiones eléctricas entre países, los aprovechamientos hidroeléctricos hoy en operación y los futuros emprendimientos binacionales son pruebas de vocación comunitaria de los países del Mercosur para atender sus requisitos de demanda energética. Aunque no exista aún una coordinación operativa de las usinas brasileñas y las usinas binacionales paraguayo-argentinas, en este trabajo será presentado un estudio mostrando los beneficios asociados a la operación coordinada de las usinas hidroeléctricas del sistema eléctrico brasileño junto con las binacionales de Itaipu, Corpus y Yacyreta. 2. Modelo de la Operacón Energética Coordinada Un sistema hidrotérmico de generación puede ser dividido en tres partes: generación, transmisión y consumo. La generación 32 Revista Científica Politécnica producción de la energía eléctrica, y puede ser hidroeléctrica, cuando resulta del aprovechamiento de la energía de los saltos hidráulicos; la termoeléctrica, cuando resulta de la quema de combustibles fósiles como el carbón, petróleo, gás y nuclear, como el uranio. La transmisión de energía corresponde a los medios físicos de transporte (líneas de transmisión y de distribución) que conducen la energía desde las fuentes generadoras hasta los mercados consumidores. El consumo engloba las demandas de carga (equipamientos y consumidores) que reciben y utilizan esta energía. Un ejemplo esquemático de la relación entre las tres partes puede ser visto en la figura 2. Hidroeléctrica Termoeléctrica Artículos Científicos -Ingeniería Eléctrica 2.1.1. Función de Producción Hidroeléctrica. La función hidroeléctrica, conforme a la ecuación (1) representa el proceso de transformación de la energía potencial del agua en energía eléctrica: (1) p = g.10 -6.h tg .hl .q Donde: !p :potencia disponible en la unidad generadora [MW]; !g :aceleración de la gravedad [m/s²]; !n tg :rendimiento del conjunto turbina generador; !hl :altura del salto líquido [m]; !q :caudal turbinado [m³/s]; Red de Transmisión Centros de Carga Figura 2 Esquema de un sistema 2.1. Centrales Hidroeléctricas. Una de las formas de energía renovable encontrada en la naturaleza es la energía potencial hidráulica, resultante del aprovechamiento de los saltos hidráulicos. Las variables que describen el modelo de una central hidroeléctrica y sus respectivas unidades son: x: volumen del embalse [hm³] ; xbarra : volumen máximo operativo del embalse[hm³]; x: volumen mínimo operativo del embalse [hm³]; xútil =(xbarra-x) : volumen útil del embalse [hm³]; u: caudal descargado por la central [m³/s]; q: caudal turbinada por las unidades generadoras [m³/s]; v: caudal descargado por vertedero [m³/s]; phi(x) : cota del nivel del embalse [m]; theta(u) : cota del nivel del canal de fuga [m]; hb = : (phi(x)-theta(u)): salto bruto [m]. 2.1.2. La Complejidad del Problema. El objetivo de la operación coordinada de un sistema hidrotérmico es asegurar una política de operación económica y confiable. El resultado debe ser una secuencia de decisiones que busca minimizar el costo de la operación y asegurar el atendimiento del mercado. La disminución del costo de la generación implica la substitución de la generación térmica por la hidroeléctrica. Como los recursos hídricos, almacenados en los embalses son limitados, debe haber un compromiso entre el presente y el futuro, es decir, una decisión tomada hoy debe asegurar una menor complementación térmica en el futuro. Esta característica hace al sistema dinámico. Otro factor que dificulta la optimización de la operación es el acoplamiento operativo entre las centrales de una misma cuenca. Al contrario del parque generador termoeléctrico, donde las centrales son interdependientes entre sí [7,8,9]. 2.1.3. El Modelo de Optimización. En este trabajo, la optimización de la operación energética será obtenida a través de un modelo de optimización determinística, que aplica algoritmos de flujo en redes, no lineal con arcos capacitados. Las centrales son representadas de manera individualizada. 33 Revista Científica Politécnica Artículos Científicos -Ingeniería Eléctrica En el modelo de optimización, se tiene como función objetivo principal la minimización del costo de la complementación no hidráulica a largo del horizonte del estudio. La complementación no hidráulica es calculada por la diferencia entre el mercado de energía y la generación hidroeléctrica, lo cual corresponde a la generación del parque termoeléctrico, la importación de sistemas vecinos y el déficit de suministro de energía.[10,11,12,13] El modelo de optimización a centrales individualizadas para sistemas hidrotérmicos de generación puede ser representada por la siguiente formulación matemática. é J ù minåêlt .åyj (gj,t )ú +lT .V(xT ) t=1 ë j=1 û Gt + Pt = Dt T (2) "t (3) "t (4) "j,t (5) "t (6) "i,t (7) "i,t (8) J Gt = ågj,t j=1 g j £gj,t £gj I Pt = åpi,t i=1 æ ö Dt xi,t = xi,t-1 +çç yi,t + åuk,t -ui,t ÷÷. 6t kÎWi è ø 10 hl i,t =f(ximed ,t ) -q(ui,t ) - pci,t xi,t-1 + xi,t "i,t 2 pi,t = ki .hi,t .hl i,t .qi,t ximed ,t = (9) "i,t (10) ui,t = qi,t +vi,t "i,t (11) xi,t £xi,t £xi,t "i,t (12) ui,t £ui,t £ui,t "i,t (13) qi,t £qi,t £qi,t (hl i,t ) "i,t (14) vi,t ³ 0 e xi,0 dados "i,t (15) !Psij(.) : función de costo de la central termoeléctrica j [$]; !V(.): función de costo asociado al estado final (xT) de los embalses [$]; ! gj,t : generación de la central termoeléctrica j durante el intervalo t [ MW ]; !pi,t : generación de la central hidroeléctrica i durante el intervalo t [ MW ]; !Gt : generación termoeléctrica total durante el intervalo t [ MW ]; !Pt : generación hidroeléctrica total durante el intervalo t [MW ]; !Dt : mercado MW a ser atendido durante el periodo t [ ]. gj ! : generación MWmínima de la central termoeléctrica j [ ]; gj ! :generaciónMW máxima de la central termoeléctrica j [ ]; ! xi,t : volumen del embalse de la central i al final del intervalo t [hm³]; ximed ,t ! : volumen medio del embalse de la central i durante el intervalo t [hm³]; !ni,t : rendimiento médio de los conjuntos turbina/generador de la central i durante el intervalo t [m]; !hl i,t : altura de salto líquido de la central i durante el intervalo t [m]; ! I: número de centrales hidroeléctricas del sistema; ! pci,t :pérdida de carga hidráulica de la central i durante el intervalo t [m]; xi ,t ! : volumen máximo del embalse de la central i al final del intervalo t [hm³]; x i ,t ! : volumen mínimo del embalse de la central i al final del intervalo t [hm³]; ! J: número de centrales termoeléctricas del sistema; ! ui,t :caudal defluente de la central i durante el intervalo t [m³/s]; ! lambdat : coeficiente de valor presente para el intervalo t; ! qi,t : caudal turbinada por la central i durante el intervalo t [m³/s]; Donde: ! T : número de intervalos de tiempo; 34 Revista Científica Politécnica Artículos Científicos -Ingeniería Eléctrica ! el intervalo t [m³/s]; ! yi,t : caudal incremental afluente a la central i durante el intervalo t [m³/s]; ! Phii(x): polinomio de la cota del embalse de la central i [m]; ! Thetai(u) : polinomio de la cota de aguas abajo del canal de fuga de la central i [m]; !Delta tt : tamaño del intervalo t [s]; !O m e g a i : c o n j u n t o d e c e n t r a l e s inmediatamente aguas arriba de la central i. 3. Estudios de los Beneficios de la Operación Coordinada En este estudio se busca evaluar el beneficio de la operación coordinada. Para el efecto fueron estudiados dos casos. El primero, en el cual se efectúa la operación de las principales centrales hidroeléctricas de los sistemas Sudeste y Sur del Brasil. La operación de las centrales hidroeléctricas binacionales se obtiene vía simulación. El segundo caso participan también las centrales hidroeléctricas binacionales. De la comparación de los resultados de ambos casos, se obtienen los beneficios asociados a la operación coordinada. En la tabla 1 están enumeradas las centrales hidroeléctricas brasileñas consideradas en el estudio. N° Usina N° Usina N° Usina 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Emborcação Nova Ponte Miranda Corumbá I Itumbiara Cachoeira Dourada S. Simão Furnas Peixoto Estreito Jaguara Igarapava Volta Grande 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Porto Colômbia Marimbondo Água Vermelha Ilha Solteira Barra Bonita Bariri Ibitinga Promissão Nova Avanhandava Três Irmãos Jupia Porto Primavera Jurumirim 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 Chavantes Salto Grande Canoas II Canoas I Capivara Taquaruçu Rosana Foz de Areia Segredo Salto Santiago Salto Osório Salto Caxias Tabla 1 Usinas hidroeléctricas brasileñas hidroeléctrica de Corpus fue modelada conforme a los datos apuntados para el emplazamiento denominado de Pindo'i. La figura 6.6 muestra un esquema simplificado del sistema objeto del estudio. 3.1. Operación Coordinada de las Usinas Brasileñas En este caso fueron consideradas las usinas hidroeléctricas de los sistemas Sudeste y Sur del Brasil. No fueron incluidas en este estudio las centrales hidroeléctricas binacionales de Itaipu, Corpus ni Yacyreta. Fue utilizada la Serie de Caudales Naturales mensuales, que abarca el periodo de 1931 a 1998. Los caudales resultantes de la operación optimizada de las usinas hidroeléctricas brasileñas fueron utilizados para simular la operación de las usinas binacionales de Itaipu, Corpus y Yacyreta. La simulación fue realizada adoptando como regla de operación como centrales de paso. Figura 3 Sistema objeto del estudio. La tabla 3 presenta un resumen de los resultados. Las características de las centrales hidroeléctricas binacionales están descriptas en la tabla 2. Centrales Usina Cota del embalse (m.s.n.m) Capacidad Instalada Itaipu Corpus Yacyreta 220,00 105,00 82,00 12.600 2.800 3.100 (MW) Equipos 18 x 700 (Francis) 20 x 140 (Kaplan) 20 x 155 (Kaplan) Brasileñas Itaipu Corpus Yacyreta Total Generación Promedio (MWmed) 18.853,8 9.405,5 2.413,8 2326,3 32.999,5 Vertimiento Promedio (m3/s) 907 1635 1244 Tabla3. Características de las Centrales Hidroeléctricas Binacionales Tabla 2 Características de las Es importante destacar que la central hidroeléctricas binacionales. 35 Revista Científica Politécnica Artículos Científicos -Ingeniería Eléctrica Mientras la central de Furnas muestra frecuentes incursiones hasta los niveles más bajos de su embalse, la central de Ilha Solteira muestra el nivel del embalse más estable. La Figura 4 muestra este comportamiento. En la Figura 5, se puede apreciar la generación de las usinas binacionales. El promedio de la generación es de 9.405, 2.414 y 2.326 MWmédios para las centrales de Itaipu, Corpus y Yacyreta, respectivamente. La tabla 4 muestra los valores máximo y mínimo de generación de las centrales binacionales. Se destaca la diferencia significativa de los valores máximo y mínimo de generación en la central de Itaipu. Esta diferencia se debe a la elevada productividad asociada a la central de Itaipu, la cual, para una disminución del caudal afluente hace que la producción caiga significativamente. En las centrales de Corpus y Yacyreta, esta diferencia no se nota, debido a que la productividad asociada a estas usinas es baja, por lo que las variaciones de los caudales afluentes afecta muy poco a la producción. Trayectoria del Emabalse 120 100 Generacion de las Binacionales 12000 10000 8000 6000 Itaipu Corpus Yacyreta 4000 2000 may-96 may-91 may-86 may-81 may-76 may-71 may-66 may-61 may-56 may-51 may-46 may-41 may-36 0 may-31 MWmed De los resultados obtenidos, un aspecto importante a destacar es la diferencia en cuanto al régimen de operación, de las centrales ubicadas en las cabeceras de los ríos y aquellas ubicadas más aguas abajo. Por ejemplo, las centrales de Furnas e Ilha Solteira. La primera ubicada en la cabecera del Rio Grande y la segunda, la última central con capacidad de regulación, localizada en el Río Paraná. Mes Figura 5 Yacyreta. Central Itaipu Corpus Yacyreta Generación de Itaipu, Corpus y Valor Máximo 10.719 2.688 2.659 Valor Mínimo 4.152 1.278 1.239 Tabla 4 Valores máximo y mínimo de generación 3.2. Operación Optimizada de las Usinas Brasileñas Junto con las Binacionales Este caso representa la operación coordinada de todas las usinas hidroeléctricas brasileñas y las binacionales de Itaipu, Corpus y Yacyreta. Los resultados son resumidos en la siguiente tabla 5. Usinas Brasileñas Itaipu Corpus Yacyreta Total Generación Promedio (MWmed) 18.745,4 9.582,2 2.457 2.360,6 33.145,2 Vertimiento Promedio (m3/s) 741 1433 1060 Tabla 5 Resultados de la operación coordinada. Comparando los valores de las tablas de los casos 3.1 y 3.2 se puede verificar que la operación coordinada entre las usinas brasileñas con las binacionales resulta en un aumento de la generación en 146 MWmed, como también una disminución de los valores de vertimientos en 386 m3/s. La tabla 6 muestra los valores máximo y 60 Central Itaipu Corpus Yacyreta 40 20 Figura 4. may-97 may-91 may-85 may-79 may-73 may-67 may-61 may-55 may-49 may-43 may-37 0 may-31 %Vol. Util 80 Valor Máximo 10.720 2.688 2.660 Valor Mínimo 4.458 1.479 1.419 Tabla 6 - Valores máximo y mínimo de generación. Mes Furnas Ilha Solteira mínimo de la generación de las centrales binacionales. Comparando estos valores con aquellos obtenidos en el primer caso se puede 36 Revista Científica Politécnica notar que los valores máximos en las tres centrales prácticamente fueron los mismos, sin embargo, los valores mínimos en las tres centrales han aumentado, resultando en un régimen de operación más estable. Este resultado era esperado debido a que al incluir las centrales binacionales, en el proceso de optimización, las centrales de aguas arriba buscan maximizar la producción de todo el sistema, lo que se traduce en operar toda la cascada de forma coordinada, regulando los caudales afluentes y evitando vertimientos en estas usinas. 4. Conclusiones De los resultados obtenidos se puede concluir: ! La operación coordinada de las usinas hidroeléctricas brasileñas junto con las usinas hidroeléctricas binacionales, utilizando la serie de caudales naturales correspondiente al periodo de 1931 a 1998, resulta en un aumento de la producción hidráulica en el orden de 146 MWmed, en comparación con la operación separada de las usinas brasileñas y las binacionales. !El régimen de operación de las centrales hidroeléctricas ubicadas en las cabeceras de los ríos, con capacidad de regulación, se caracteriza por mayores variaciones en el volumen de sus embalses. Este comportamiento se debe al hecho de ser estas centrales las que efectuan la regulación de los caudales de las centrales de aguas abajo, propiciando de esta manera el uso eficiente de los recursos hídricos y capacidad instalada para la producción energética. Referencia Bibliográfica [1] ANDE: Administración Nacional de Electricidad. Disponíble en: <http://www.aneel.gov.br>. Acceso en: 10 dic. 2005. [2] UTE: Administración Nacional de Usinas y Transmisiones Eléctricas: Disponible en: <http://www.ute.com.uy>. Acceso en: 10 nov. 2004. [3] ITAIPU Binacional. Disponíble en: <http://www.itaipu.gov.py>. Accesso en: 10 nov. 2004. [4] ONS: Operador Nacional do Sistema Artículos Científicos -Ingeniería Eléctrica Elétrico: Disponíble en: <http://www.ons.org.br>. Acceso en: 10 nov. 2004. [5]ANEEL: Agência Nacional de Energia Elétrica: Disponíble en: <http://www.aneel.gov.br>. Acceso en: 10 dic. 2005. 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