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CENTRALES HIDRÁULICAS
PANORAMA ENERGÉTICO
INTRODUCCIÓN
La capacidad hidráulica instalable de nuestro país es aproximadamente 60000
MW, de los cuales sólo se han desarrollado 8500, hasta ahora. Esto significa que
se tiene un gran reto con el país y la responsabilidad como ingenieros de asumir
un compromiso con la explotación de este recurso renovable y dinamizador de la
economía.
Entonces, los ingenieros deberán obtener competencias y habilidades específicas
relacionadas con esta disciplina. En cuanto a los ingenieros electricistas se refiere,
se capacitarán en diseño de los principales equipos asociados a las centrales
hidroeléctricas, y en su operación y mantenimiento.
La materia Centrales Hidráulicas pretende cumplir con el objetivo de desarrollar
esas competencias y para lograrlo revisa los principios generales de diseño
eléctrico de equipos de generación hidroeléctrica, dota al estudiante de criterios
para el planeamiento de los proyectos de expansión de la generación, imparte los
conocimientos necesarios para elaborar estudios de reconocimiento,
prefactibilidad y factibilidad de proyectos hidroeléctricos, y explora nuevas
tendencias tecnológicas en el campo de la producción de electricidad.
En este capítulo introductorio se revisan las tendencias energéticas mundiales y
se muestra una visión general del sector energético colombiano, puntualizando en
las tendencias del subsector eléctrico, con fundamento en el plan de expansión
nacional vigente de la Unidad de Planeación Minero Energética, UPME.
Finalmente, con el objeto de presentar una primera clasificación de las plantas
hidráulicas, como plantas de base, medias o de pico, se revisan los conceptos
sobre las curvas de carga y de la curva de duración de carga anual.
PANORAMA ENERGÉTICO MUNDIAL
El crecimiento económico es uno de los factores más importantes considerados en
las proyecciones energéticas en el ámbito mundial. Crecimiento económico que se
mide en términos del producto interno bruto, PIB.
El crecimiento económico a mediano y largo plazo depende del comportamiento
demográfico y las tendencias esperadas de productividad de cada economía.
Estos a su vez dependen del crecimiento poblacional, las ratas de participación de
la fuerza laboral, del crecimiento de la productividad, del ahorro nacional y de la
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acumulación de capital. Adicionalmente, para las economías desarrolladas, los
progresos en la construcción de infraestructura de capital humano y físico, por
medio del establecimiento de mecanismos regulatorios para gobernar los
mercados y garantizar estabilidad política, juegan igual o quizás un papel más
importante en la determinación del crecimiento potencial de mediano y largo plazo.
Para el período comprendido entre el 2003 y el 2030, el crecimiento real promedio
del PIB será 3.8% anual. De acuerdo con el “International Energy Outlook
2006”, el crecimiento proyectado del PIB es mayor que la rata de crecimiento de
los pasados 30 años; la razón es que muchos países no desarrollados, no
pertenecientes a la “Organisation for Economic Co-operation and
Development” OECD*, emprendieron reformas significativas en años anteriores.
Políticas macroeconómicas mejoradas, regímenes de cambio flexibles, y bajos
déficit fiscales han disminuido las ratas de inflación y la incertidumbre, así como
mejorado el clima de inversión. Además reformas estructurales macroeconómicas,
tales como privatizaciones y cambios regulatorios han jugado un papel clave.
Existe una relación entre el uso de la energía y el PIB (intensidad de energía en el
tiempo). El crecimiento económico y la demanda de energía están ligados, pero la
fortaleza de la relación varía entre regiones en el tiempo. En Colombia el vínculo
entre las dos variables es fuerte y puede afirmarse que el crecimiento de la
economía jalona la demanda de energía.
Se presenta una propuesta en el sentido de revisar anualmente el documento
publicado por la Administración de Información de la Energía de los Estados
Unidos, denominado “International Energy Outlook” (IEO)1, con el objeto de
mantener cifras actualizadas y confiables sobre las proyecciones energéticas
mundiales.
*
Los países pertenecientes a la OECD (poseen el 18% de la población mundial) son:
Norte América—Estados Unidos, Canadá, y México; Europa—Austria, Bélgica, República Checa,
Dinamarca, Finlandia, Francia, Alemania, Grecia, Hungría, Islandia, Irlanda, Italia, Luxemburgo,
Los países Escandinavos, Noruega, Polonia, Portugal, Eslovaquia, España, Suiza, Suecia,
Turquía, e Inglaterra, Asia—Japón, Corea del Sur, Australia y Nueva Zelanda.
1
International Energy Outlook [online]. Washington D.C. : Energy Information Administration,
2007[citado
en
2
de
agosto
de
2007].
Disponible
en
internet
:
http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/index.html
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CENTRALES HIDRÁULICAS
Figura 1. Variación anual del PIB vs. Variación anual de la demanda
Fuente: XM, Neón. Citado en el plan de expansión de referencia generación – transmisión 2006 –
2020.
A manera de ilustración, en la tabla 1 se muestra una síntesis sobre las tendencias
energéticas mundiales para el período 2004 – 2030, consideradas en el IEO 2007.
Adicionalmente, en la figura 2 se ilustra el consumo de energía comercializada en
el mundo por región para el mismo período.
Tabla 1. Tendencias energéticas mundiales período 2004 – 2030
Energético
Petróleo
Gas Natural
Carbón
Electricidad
2004
83.0
99.6
114.5
16424
2015
2030
97.0 118.0
129.0 163.2
199.1
22289 30364
Unidades
Millones de barriles equivalentes por día
Trillones de pies cúbicos por año
Cuatrillones de Btu anuales
Billones de kWh anuales
Fuente: Energy Information Administration, International Energy Annual 2004 (May-July
2006). Citado en International Energy Outlook 2007.
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Figura 2. Consumo de energía comercializada en el mundo por región, 2004 2030
Fuente: Energy Information Administration, International Energy Annual 2004 (May-July
2006). Citado en International Energy Outlook 2007.
PANORAMA ENERGÉTICO COLOMBIANO
Igualmente que con la visión del panorama energético mundial, se deberá revisar
anualmente el plan de expansión de referencia generación transmisión que publica
la Unidad de Planeación Minero Energética, UPME. Se presentan las
proyecciones de demanda doméstica de energía y potencia para el período 2006 –
2020, información extractada del “plan de expansión de referencia generación
transmisión 2006 -2020” 2.
2
Plan de expansión de referencia generación transmisión 2006 -2020 [online]. Bogotá : Unidad de
Planeación Minero Energética, 2006- [citado en 2 de agosto de 2007]. Disponible en internet :
http://www.upme.gov.co
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CENTRALES HIDRÁULICAS
Tabla 2. Proyecciones de demanda de energía en GWh/año
Año
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
Alto
53007
55457
57424
59534
61747
64106
66186
68615
71022
73850
76333
Medio
52190
54160
56069
57970
59922
62106
63912
65930
67987
70377
72461
Bajo
51610
53358
54790
56283
57832
59584
61033
62668
64313
66161
67670
Fuente: UPME. Plan de expansión de referencia generación transmisión 2006-2020.
Figura 3. Proyecciones de demanda de energía 2005 -2020
Fuente: UPME. Plan de expansión de referencia generación transmisión 2006-2020.
Se tienen tres escenarios de crecimiento: alto, medio y bajo, de acuerdo con el
PIB.
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Tabla 3. Proyecciones de demanda de potencia en MW
Año
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
Alto
9362
9725
10091
10462
10844
11228
11616
12042
12456
12919
13379
Medio
9216
9495
9850
10184
10520
10874
11214
11568
11921
12307
12697
Bajo
9111
9351
9623
9885
10151
10429
10706
10993
11274
11564
11855
Fuente: UPME. Plan de expansión de referencia generación transmisión 2006-2020.
Figura 4. Proyecciones de demanda de potencia 2005 -2020
Fuente: UPME. Plan de expansión de referencia generación transmisión 2006-2020.
ANOTACIONES SOBRE LA CARGA ELÉCTRICA
Si se revisa el caso de la iluminación, se constata que puede obtenerse luz visible
a partir de bombillos incandescentes, tubos fluorescentes, tubos de vapor de
sodio, tubos monocromáticos de descarga de gas de alta presión, láser. Todas
esas fuentes requieren potencia eléctrica para funcionar, es decir crean una carga
eléctrica cuando se activan, manual o automáticamente.
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CENTRALES HIDRÁULICAS
Figura 5. La carga eléctrica residencial y su desagregación
Tabla 4. Equipos de uso residencial
EQUIPO
Calentador
Motor
Aire Acondicionado
15 Bombillos de 100 W
Calefactor
TOTAL
POTENCIA
4500
2000
2500
1500
1200
11700
Cada vez que uno o varios de ellos operan, crean carga eléctrica. Además es
bastante improbable que todas estas cargas se conecten al mismo tiempo, porque
producen efectos contrarios. Normalmente no se conectarían al mismo tiempo la
calefacción y el aire acondicionado.
Curva de carga diaria. La demanda por el uso final de la potencia eléctrica varía
como una función del tiempo, del día, de la semana, del mes, etc. La curva que
relaciona las variaciones de la demanda hora a hora durante las 24 horas del día
se denomina curva de carga diaria. Se forma por las demandas máximas que se
presentan durante cada hora del día.
En la siguiente figura, área bajo la curva de carga diaria representa el consumo de
energía en kWh durante las 24 horas del día.
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CENTRALES HIDRÁULICAS
Figura 6. Curva de carga diaria típica
350
300
250
200
150
100
50
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20 22 24
Tiempo [h]
Factor de carga (FC).
FC =
Carga promedio
Carga maxima
(1.1)
Si el área bajo la curva representa la energía consumida durante las 24 horas del
día, el factor de carga se puede expresar como:
FC =
Energia consumida 24 horas
Carga maxima * 24
(1.2)
El valor del factor de carga es menor que 1 y depende del sector de consumo, por
ejemplo para el sector residencial en promedio presenta un valor de 0.45, para el
comercial es aproximadamente 0.65, y para el industrial es 0.70.
Curva de duración de carga. La curva de duración de carga se construye
ordenando de mayor a menor las cargas que se presentaron en un período de
tiempo especificado, por ejemplo un año.
En las siguiente figura, las zonas de la curva permiten una primera clasificación de
las plantas, como plantas de base, plantas medias y plantas de pico.
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Figura 7. Curva de duración de carga
P [kW]
PICO
MEDIA
BASE
t [horas]
• Plantas de base. Suministrarán la mayor parte de la energía eléctrica en
forma permanente. Se incluyen plantas nuevas de alta eficiencia y en ciertos
casos de combustible barato. Una central térmica a carbón normalmente se lleva a
la base dada su dificultad para estabilizar después del arranque y además porque
su combustible es de bajo costo.
• Plantas de pico. Cubren la demanda de energía eléctrica en las horas pico.
Normalmente, se emplean centrales pequeñas y a filo de agua, así como plantas
que poseen un embalse prácticamente saturado, es decir, colmatado con muy
poca capacidad de reserva. Para nuestro medio, se utilizan centrales térmicas de
combustible relativamente costoso, como por ejemplo gas. Plantas hidráulicas
convencionales que operan en el pico, muy probablemente estarán al final de su
vida útil.
• Plantas medias o intermedias. Son aquellas que funcionan un mayor
número de horas que las de pico, pero no tanto tiempo como las de base. Se
utilizan plantas relativamente antiguas que presentan eficiencias menores que las
plantas modernas.
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