Pequeña Hidro1

8/15/2019 Pequeña Hidro1

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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 cinéticasusceptible de ser convertida en trabajo, como demuestran los miles demolinos que a lo largo de la historia fueron construyéndose a orillas de losríos.

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

La primera central hidroeléctrica moderna se construyó en 1880 en Northumberland, GranBretaña. 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 parteimportante 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 losrecursos fósiles, limitados en el espacio y en el tiempo. Más tarde, cuando las predicciones acerca delagotamiento de los recursos fósiles resultaron ser excesivamente pesimistas, la preocupación generalpor 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 lasincertidumbres planteadas por el futuro de los residuos nucleares, volvieron a poner de relieve lasventajas 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 importanciade la obra civil y la necesaria inundación de grandes áreas para embalsar el agua y crear la necesariaaltura 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 enel ecosistema más sensible si están bien diseñados.

Los pequeños aprovechamientos hidroeléctricos no necesitan utilizar grandes presas nidisponer de embalses, aunque si ya existen, y se pueden compatibilizar con los usos para los quefueron construidos, siempre ayudan. La mayoría de los pequeños aprovechamientos hidroeléctricosson del tipo de agua fluyente, lo que quiere decir que las turbinas generan electricidad mientras pasepor ellas un caudal igual o superior a su mínimo técnico y se paran cuando el caudal desciende pordebajo de ese nivel. Este tipo de aprovechamientos plantea problemas cuando tiene que abasteceruna zona eléctricamente aislada, en cuyo caso habrá que diseñar el sistema para que pueda trabajarel 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 ríollegase a secarse.

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

UNS-Energía Hidráulica/ARRF 1


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1.1.- CENTRALES ELECTRICAS

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

Las centrales eléctricas están situadas cerca de las fuentes básicas de energía, o bien cerca delos lugares donde se encuentra el mayor consumo de energía eléctrica. En las centrales eléctricas, seobtiene electricidad por medio de maquinas denominadas generadores eléctricos; son accionados pormaquinas motrices conocidas como motores primarios, al conjunto “motor primario-generador” se lellama 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 dela central, o grupo ) en el curso del día, semana, mes o año. Según el periodo considerado sehablara de diagrama de carga diario semanal mensual o anual.

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

Por energía producida, designamos al cúmulo de potencia aportada al sistema de consumodurante un determinado número de unidades de tiempo; así se podrá calcular la energíasuministrada 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 yotra mínima, así como un valor de potenciamedia. Esta última, se calcula dividiendo el valortotal de la energía suministrada por el tiempo enque se efectuó tal suministro.

Fig.1.2 Grafico de cargas



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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 diariode 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 laenergía 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 expresarsenuméricamente con un factor “ Fc “ que llamaremos factor de carga dado por la relación entre laenergía producida efectivamente y la energía producible si la potencia máxima trabajara durante todoel periodo considerado.



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horas

E 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 puededefinir también como la relación entre la potencia media y la potencia máxima.

h xP

E

máx .máx

m

P

PFc = ; Fc =

Puede ocurrir el caso (común en casi todos los grandes sistemas eléctricos ) que la máquina hagaparte de un grupo de centrales que alimentan una red extensa cuyo diagrama de carga tiene valoresmuy 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 primeratiene una sola máquina, la segunda 2 máquinas y la tercera también 2 máquinas, podemos distinguirentre el diagrama de carga general ( cuyo factor de carga es por ejemplo 0.7 ) y el diagrama de cargade la central ( la central A con factor de carga 0.9, la B con factor de carga 0.72 y la C con factor decarga 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 grupoB1 trabaja mayormente de base por, ejemplo con factor de carga Fc = 0.9, el grupo B2 trabaja con factorde carga Fc = 0.6

En la central C el caso puede ser el mismo; los dos grupos podrían trabajar con la mismacarga y producir la misma energia o bien, asi como representa en la figura, uno tiene Fc = 0.4 y el otroFc = 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 unanueva central de un sistema ya existente, se toma de base el diagrama de carga actual y se construyeel diagrama futuro referente a un determinado año que interesa, es decir por ejemplo dos o tres añosmas 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 (aveces 5 o 10 años) antes que el incremento vegetativo por aumento de la población y por aumento delconsumo específico, obligue a recurrir a otra planta para cubrir la demanda. Así se determina lapotencia de la central a proyectarse debido a que para completar el proyecto de una central serequiere generalmente mas de un año para su construcción se necesita quizás unos 2 o 3 años, eldiagrama de carga debe ser extrapolado hasta 6 o 7 años mas tarde del diagrama escogido comobase 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 elincremento vegetativo de la demanda durante los años que faltan hasta la puesta en marchade la central

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

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

A consecuencia de las consideraciones hechas, se nota que existirá siempre una diferencia entreel valor de la potencia instalada y el valor de la potencia máxima de la demanda. La diferencia es dadapor la suma de un factor que va disminuyendo en el transcurso de los años más un factoraproximadamente 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

h xP

E

I

PF =

Donde:

Es la potencia instalada (suma de la potencia de placa de los diferentes grupos de plantas). I P



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1.2 CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

En estas centrales el agua, originalmente retenida o almacenada y posteriormente encauzaday controlada; y debido a la energía cinética desarrollada en su descenso, o a la energía depresión; 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, yaquellas otras a las que ésta llega, convenientemente regulada, desde un lago o pantano. Sedenomina respectivamente:

Según el discurrir del agua1. Centrales de Agua Fluente2. Centrales de agua embalsada:

• Centrales de Regulación• Centrales de Bombeo.

Según la altura del salto de agua o desnivel existente:1. Centrales de Alta Presión2. 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 lasturbinas hidráulicas. No cuentan prácticamente con reserva de agua, oscilando el caudal suministradosegún 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 (aguasbajas), 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 unaestructura de toma. Desde esta, una tubería a presión conduce el agua directamente a la central. Lastuberías a presión son relativamente caras por lo que esta solución muchas veces tiene un costeelevado. La alternativa (Fig 1.9) es llevar el agua por un canal de poca pendiente, que discurreparalelo al río, hasta la cámara de carga, desde la que una tubería forzada la conduce a presión a lacasa de máquinas. Si las características topográficas o morfológicas del terreno no son favorables, elcanal puede no ser la solución óptima. En estos casos, una tubería de baja presión, aunquegeneralmente más costosa en sí misma, puede resultar económica. A la salida de las turbinas el aguase restituye al cauce mediante un canal de desagüe.

En ocasiones la presa de derivación se dimensiona para crear un pequeño embalse con capacidadpara poder turbinar solo en horas punta, en las que el precio pagado por el kWh es más favorable. Enotras, la cámara de presión puede convertirse en un pequeño depósito regulador, aprovechando lasposibilidades que ofrecen hoy los geotextiles.

Los aprovechamientos de baja altura son esquemas típicos de valle, que admiten dos soluciones. Obien un canal, similar al de los aprovechamientos de montaña, conduce el agua a una cámara decarga de la que sale una tubería forzada corta (Fig. 1.10), o no existiendo topográficamente altura desalto, 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 suescala 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 ríosafluentes, llegando a elevados porcentajes de captación de agua en ocasiones. Este agua es utilizadasegún 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), opor un sifón en caso de que no existiese ninguna toma de agua prevista. En este último caso, latubería 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 deconsumo.

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 turbinareversible. La alimentación del generador que realiza el bombeo desde aguas abajo, se puede realizardesde otra central hidráulica, térmica o nuclear. No es una solución de alto rendimiento, pero se puedeadmitir como suficientemente rentable, ya que se compensan las pérdidas de agua o combustible.

Centrales de Al ta 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 enzonas de alta montaña, y aprovechan el agua de torrentes, por medio de conducciones de granlongitud. 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 turbinasson Francis y Kaplan, y en ocasiones Pelton para saltos grandes.



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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 cualla dividimos en dos grandes conjuntos:

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

Así tenemos:o Embalseo Presa y aliviaderoso Tomas y deposito de cargao Canales, túneles y galeríaso Tuberías forzadaso Chimeneas de equilibrio

El segundo conjunto engloba los edificios, equipos. etc., mediante los cuales, y después de lassucesivas 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 cuyapotencia instalada no supera los 10 MW. En Italia el limite parece situarse en los 3 MW (la energíaprocedente de plantas de mayor tamaño se vende a un precio sensiblemente inferior), en Francia ellimite está en 8 MW y el Reino Unido parece favorecer la cifra de 5 MW. En lo que sigue se hanadoptado los 10 MW, siguiendo el criterio de 5 países miembros, la Comisión Europea, la ESHA y laUNIPEDE (Unión Internacional de Productores y Distribuidores de Electricidad). Las organizacionesONUDI (organización de las naciones unidas para el desarrollo industrial) y la organizaciónlatinoamericana de energía (OLADE) hacen la siguiente clasificación

INSTITUCION PICO MICRO MINI PEQUEÑACENTRAL CENTRAL CENTRAL CENTRAL

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



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1.3 PLANIFICACIÓN Y EVALUACIÓN DE UN APROVECHAMIENTOEl 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 diferentesesquemas tecnológicos posibles, para terminar escogiendo el que más ventajas ofrece.

Las posibles soluciones tecnológicas vienen condicionadas además de por los factores yamencionados, 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 sepueden indicar los pasos fundamentales que hay que seguir, antes de proceder o no a un estudiodetallado 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 suautorización.

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 principioshidráulicos, basados en la mecánica de los fluidos y en la experiencia acumulada durante siglos. Seestudiaran 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 potencialenergético, que es una función del caudal que se puede turbinar y del salto disponible,distanciamedida en vertical, entre el nivel de la lámina de agua en la derivación y a la salida de la turbina. Elsalto se puede medir fácilmente con un nivel, un taquímetro o un clinómetro, y salvo en los saltos depoca altura puede considerarse que permanece constante. El caudal por otra parte viene afectado pormultitud 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 caudalesperfectamente 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 puedenintegrar, 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 energíaeléctrica. Se estudian los tipos de turbinas existentes y sus campos de aplicación, los multiplicadoresque 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 posibilidadesactuales, 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 dancriterios para su correcta selección.

No podemos actualmente dejar de lado el l tema medioambiental, resaltando las ventajas que, desdeel punto de vista global, ofrece este recurso, ventajas que no eluden la necesidad de mitigar losimpactos en el ecosistema local. El tema es amplísimo y, en los momentos actuales, decisivo para laobtención de la autorización administrativa. Se explicitan las técnicas de análisis económicogeneralmente utilizadas para la toma de decisiones. Se comparan las diversas metodologíasutilizadas, explicándolas sobre la base de tablas que muestran los flujos de caja generados por elaprovechamiento 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 sedesea suministrar energía, y con estos, proyectar la demanda durante un periodo de tiempo segúnnecesidad.

Por tratarse de un análisis en zonas rurales aisladas, donde las poblaciones se encuentran alejadasde los grandes servicios interconectados y muchas veces aún sin servicio eléctrico alguno, no esposible aplicar los métodos tradicionales para la estimación de la demanda futura de un país como laextrapolación de la demanda anterior o modelos econométricos en base a indicadores nacionales odepartamentales.

Cada región aislada tiene sus propias características de densidad, crecimiento poblacional,infraestructura, servicios existentes, recursos naturales y potenciales de producción. Por lo tanto, cadaregión aislada prevista para la electrificación necesita una evaluación particular de su potencial dedesarrollo 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 lademanda 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 esde trabajo de campo. Las tareas de cada etapa son

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

involucradas en el proyecto, número de viviendas, servicios básicos existentes y otroso 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

baseo Entrevistas a las autoridades para conocer sus planes de desarrolloo Evaluación del grado de organización de las diferentes instancias que participan en el procesoo Encuestas

o Identificación de las instituciones públicas, servicios básicos existentes, negocios e industriaso Realización de talleres de identificación de necesidades y demandaso Preparación de la población para un adecuado uso de la electricidad en la mejora de las

actividades tradicionales de la comunidado Verificación de los proyectos ejecutados y en gestión



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1.4.2. Estimación de la demanda actual

El suministro de energía eléctrica tiene el propósito mejorar las condiciones de vida del usuarioal ofertar energía para el uso doméstico y productivo con un servicio confiable durante todo el año. Poresta razón, es necesario que se tenga una idea clara del estado energético la comunidad, además deotros 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 centropoblado al que se planea suministrar energía, se debe conocer información que refleje el consumoenergético:

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

1.4.2.2. Cálculo de la demanda actualEn 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 sepresentan dos métodos basados en la potencia y un método que incluye un análisis mayor entérminos de consumo de energía.

a. Método de NosakiMétodo 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 tieneun rango total que depende del número de habitantes. Para calcular la demanda promedio, sepromedia 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 dehabitantes. Calculemos la demanda de un centro poblado de 850 habitantes.

( )kW actual Demanda 252

3515=

+=

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

Tabla 1 Demanda para distintas poblac iones

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



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

o Demanda doméstica: demanda residencial, estimando una potencia de entre 250 y 400W/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 laenergía eléctrica (bodegas, hoteles, carpinterías, aserraderos, peladoras de arroz). Enpequeños centros poblados, esta demanda es mínima o nula, sin embargo de acuerdo a lascaracterísticas del centro poblado, su ubicación y producción se puede estimar una demandade potencia.

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

o Toda esta información es vaciada en una tabla en la que se incluirán factores desimultaneidad y uso (ver tabla 2). No todas las demandas se producen simultáneamente y esclaro que de acuerdo al grado de pobreza o desarrollo, el consumo industrial variará durantela 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 elmismo equipo en el mismo momento, varía entre 0 y 1Factor de uso (fu): es la intensidad en el uso de los equipos, varía entre 0 y 1

Tabla 2 cálculo de la demandaCarga diurna Carga nocturnaTipo de

cargaPotenciamáxima

(kW)fs fu kW fs fu kW

DomesticaInstitucional

Industrial

Alumbradopúblico

Total diurno Totalnocturno

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 aconsiderar 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 RamiroOrtiz, en su libro, Pequeñas centrales hidroeléctricas (2001), metodología más rigurosa, que requieremayor 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 puedeasignarse una demanda o potencia eléctrica a cada una de ellas, en lo que respecta a cada uno de lossectores:

o Demanda residencial: se debe tomar una vivienda representativa y proyectarla hacia el totalde 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 deindustria y considerar, según sea el caso, una muestra representativa de una industriamayoritaria, si fuera necesario. Algunos datos de la demanda industrial se pueden ver en latabla 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 350Computadora 400Televisor 100Radio Grabadora 30Equipo de sonido 100Licuadora 300Ventilador 100

Máquina de coser 125Plancha 1000Cocina Eléctrica (cada hornilla) 1500

Agroindust ria Potencia (Kw)Aserradero 30 - 60Carpintería 3 - 15Trapiche 10 - 20Telares 2 - 6Molino de granos 3 - 20Piscifactoría 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. Lacuarta 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. Estadivisión se obtiene de la información recogida en campo. En la tabla 5 se consideró la siguientedistribución.



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Tabla 5PERIODO ACTIVIDAD

0-6 Descanso6-8 Desayuno8-12 Actividad industrial

12-14 Almuerzo

14-18 Actividad industrial18-20 Comida20-22 Recreación22-24 Descanso

La demanda potencial en un periodo correspondiente a una actividad dada en la tabla 5 se obtienecomo el producto de la potencia del equipo eléctrico usado en ese periodo por el coeficiente de lasimultaneidad, multiplicado por el número de usuarios. El total de la demanda potencial del periodo enmención será la suma de todas las demandas potenciales, de forma que al final se obtendrá el total dela 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 delos Estados Unidos de Norteamérica), se basa en dos factores:

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

( )[ ]5,02 404,04,01. ++−= N x xN Nx AFact Donde:N = número de familias beneficiadas por categoría

• Factor B: Consumo específico por beneficiario

( ) 85,0005925,0. espC x BFact = Donde:

Cesp = consumo específico

La demanda para el año de inicio se obtiene multiplicando ambos factores:

[ ]kW BFact AxFact Pot .max =

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

[ ]añokWh xNxC E esp /12=



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e. Cálculo de la demanda propuesto por PPL/GTZPara 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 decobertura y tiempo de utilización de los artefactos. La determinación del factor de simultaneidad delconjunto de equipos que poseen una determinada familia se realiza a partir de la potencia instalada yla potencia máxima de utilización, con la siguiente fórmula:

ins

S P

P f max=

Para un mayor consumo, las curvas de demanda de los consumidores individuales se solapan yforman una curva global. La curva de punta de red no es idéntica a la suma de las cargas de puntaindividuales, porque la probabilidad de que todos los consumidores conectados a la red consumanenergía al mismo tiempo es casi nula. La relación entre la potencia máxima que se establece en uninstante y la suma de las potencias máximas individuales de todos los abonados conectados sedenomina 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 lasiguiente relación:

( )5,0

1

N

f f f S S Sn

−

+=

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

[ ]kW xP NxF D insSn=

Donde:N = número de usuariosPinst = potencia instaladaFsn = factor de simultaneidad del conjunto de consumidores.

> 1.4.2.3. Estimación de la demanda futuraLa 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 minicentralhidroeléctrica). El crecimiento de la demanda debe calcularse de forma cuidadosa, ya que se realizaen base a estimados de natalidad, mortalidad, migración, perspectivas de desarrollo y otros.

a. Fórmula estadísticaUn 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 añosde 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 consideradon = 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 esposible que la tasa de crecimiento varíe por el hecho de la puesta en servicio del sistema eléctrico (vertabla 6).



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

Residencial Industrial y comercial Servicios públicosPotencia Energía Potencia Energía Potencia Energía

Añ

o

% Vatios % Kwh % Vatios % Kwh % Vatios % Kwh0

12345

t

b. Método MomencoSe trata de una metodología formulada por la compañía consultora canadiense Monenco

(Montreal Engineering Company), válida para localidades de menos de 20 000 habitantes. Lametodología 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 cargaTambién 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 originalesen las horas del día (mañana, tarde y noche), de la semana o fluctuaciones estacionales. La causa decambios 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 ritmode 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 energíadurante el día en cada categoría, se tienen curvas de demanda diarias. Solapando las diferentescurvas, se determina la demanda total del sistema.

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


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