i. introducción - Biblioteca Central de la Universidad Nacional del

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.
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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
UNS-Energía Hidráulica/ARRF
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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.
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3
Podemos entonces escribir: Pm
=
E
, es la potencia constante necesaria para suministrar,
horas
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.
Fc =
E
Pmáx x h
Fc =
;
Pm
Pmáx.
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 Pmáx . , Pmin . , Pm. , E 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
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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: “ FP ”
FP =
E
PI x h
Donde:
PI
Es la potencia instalada (suma de la potencia de placa de los diferentes grupos de plantas).
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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
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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
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Figura 1.11 presa de compuertas y casa de maquinas integradas
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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.
UNS-Energía Hidráulica/ARRF
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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
ONUDI
OLADE
PICO
CENTRAL
0,1-1kW
-
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MICRO
CENTRAL
1- 100 kW
0- 50 kW
10
MINI
CENTRAL
100-1000 kW
50- 500 kW
PEQUEÑA
CENTRAL
1000- 10000 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
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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
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12
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.
Demanda actual =
(15 + 35) = 25kW
2
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
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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
13
b. Método desarrollado por Soluciones Prácticas
El método considera cuatro tipos de cargas, con los siguientes detalles:
o
o
o
o
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.
Demanda institucional: se estima una potencia en base a las instituciones existentes
(escuelas, postas de salud, municipio, local comunal, iglesia).
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.
Alumbrado público: esta carga está compuesta por el número de luminarias que se quiere
instalar para este servicio.
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
Tipo de
carga
Potencia
máxima
(kW)
Tabla 2 cálculo de la demanda
Carga diurna
fs
fu
kW
Carga nocturna
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.
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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
Congeladora
Computadora
Televisor
Radio Grabadora
Equipo de sonido
Licuadora
Ventilador
Máquina de coser
Plancha
Cocina Eléctrica (cada hornilla)
Potencia (w)
350
400
100
30
100
300
100
125
1000
1500
Agroindustria
Aserradero
Carpintería
Trapiche
Telares
Molino de granos
Piscifactoría
Potencia (Kw)
30 - 60
3 - 15
10 - 20
2 -6
3 - 20
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.
UNS-Energía Hidráulica/ARRF
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Tabla 5
PERIODO
0-6
6-8
8-12
12-14
14-18
18-20
20-22
22-24
ACTIVIDAD
Descanso
Desayuno
Actividad industrial
Almuerzo
Actividad industrial
Comida
Recreación
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:
[
Fact . A = Nx 1 − 0,4 xN + 0,4 x (N 2 + 40 )
0,5
]
Donde:
N = número de familias beneficiadas por categoría
• Factor B: Consumo específico por beneficiario
Fact . B = 0,005925 x (C esp )
0 ,85
Donde:
Cesp = consumo específico
La demanda para el año de inicio se obtiene multiplicando ambos factores:
Pot max = Fact Ax. Fact B
[kW ]
En cuanto al consumo de energía por año (consumo anual), se obtiene a partir de la siguiente
ecuación:
E = 12 xNxC esp
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[kWh / año ]
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:
fS =
Pmax
Pins
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:
f Sn = f S +
(1 − f S )
N 0 ,5
Con el factor de simultaneidad del conjunto de consumidores de la misma categoría, se determina la
demanda máxima usando la siguiente relación:
D = NxFSn xPins [kW ]
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.
Pn = P0 .(1 + i )
n
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).
UNS-Energía Hidráulica/ARRF
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Añ
o
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
% 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.
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