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ELEMENTOS DE ECONOMIA DE LA ENERGIA ELECTRICA Octubre 2006

Elementos de Economia Electrica

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ELEMENTOS DE ECONOMIA DE LA ENERGIA ELECTRICA

Octubre 2006

INDICE ELEMENTOS DE ECONOMIA ................................................................................................. 1 1. CARACTERISTICAS DEL SUBSECTOR ELECTRICO................................................ 1 1.1. Introduccin............................................................................................................... 1 1.2.1. Naturaleza del Servicio Elctrico ................................................................................ 1 1.2.2. Rol del Estado............................................................................................................. 3 1.2.3. La magnitud de las inversiones................................................................................... 3 1.2.4. El servicio elctrico y el desarrollo .............................................................................. 4 1.2.5. El lejano horizonte de planeamiento ........................................................................... 5 1.2.6. El costo de la energa elctrica ................................................................................... 5 1.2.7. La dinmica de la demanda ........................................................................................ 6 1.2.8. Las ofertas alternativas ............................................................................................... 6 1.2.9. Los efectos ambientales ....................................................................................... 7 1.2.10. Componentes............................................................................................................ 8 2. DEMANDA DE LA ENERGIA ELECTRICA ................................................................ 11 2.1. La Demanda............................................................................................................ 11 2.1.1. Curva de carga diaria.......................................................................................... 11 2.1.3. Diagrama ordenado de duracin de cargas........................................................ 17 3. EL EQUIPAMIENTO DE PRODUCCION.................................................................... 21 3.1. El equipamiento trmico.......................................................................................... 21 3.2. El equipamiento hidrulico ...................................................................................... 25 3.2.1. Potencia garantida .............................................................................................. 31 3.2.2. Costos ................................................................................................................. 35 3.3. Definiciones relativas al equipamiento.................................................................... 38 3.3.1. Factor de capacidad............................................................................................ 38 Tiempo equivalente de funcionamiento................................................................................ 38 Coeficiente de disponibilidad para perodos diferentes que el anual .................................... 39 Consideraciones sobre estos conceptos.............................................................................. 39 Factores que influyen sobre la indisponibilidad de centrales ................................................ 40 4. TRANSMISION DE ENERGIA ELECTRICA............................................................... 43 4.1. Introduccin............................................................................................................. 43 4.2. Funciones de las lneas de transmisin .................................................................. 43 4.3. Eleccin de la seccin ptima................................................................................. 45 4.4. Densidad ptima ..................................................................................................... 47 4.5. Criterios generales sobre los costos ....................................................................... 47 4.6. Evolucin de las tensiones mximas ...................................................................... 49 4.7. Interconexiones....................................................................................................... 50 4.8. Calidad de servicio en la transmisin...................................................................... 51 4.9. El uso del suelo....................................................................................................... 54 4.10. Transmisin en corriente contnua...................................................................... 55 4.11. Caractersticas econmicas de los sistemas de c.c............................................ 57 4.12. Ejemplos de transmisin de gran envergadura................................................... 59 5. DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA .............................................................. 63 5.1. Componentes del sistema....................................................................................... 63 5.2. Importancia econmica de la distribucin ............................................................... 64 5.3. Caractersticas de la demanda ............................................................................... 64 5.4. Planificacin de redes de distribucin..................................................................... 66 5.5. La seleccin econmica del equipo de distribucin ................................................ 68 6. OBJETIVOS Y METODOS DE PLANEAMIENTO ELECTROENERGETICO............. 73 6.1. Objetivos ................................................................................................................. 73 6.2. Determinacin del margen de reserva .................................................................... 77 6.3. Cubrimiento de la curva de carga ........................................................................... 79 6.3.1. Sistemas trmicos............................................................................................... 80 6.3.2. Sistemas Hidrotrmicos ............................................................................................ 81

6.4. Perodo crtico .............................................................................................................. 86 6.5. Mtodos de anlisis de la oferta de energa elctrica............................................. 88 6.5.1. Anlisis marginal de seleccin de inversiones.......................................................... 89 6.5.2. Modelos globales ................................................................................................ 90 ANEXO: NOMENCLATURAS ........................................................................................... 111

1. CARACTERISTICAS DEL SUBSECTOR ELECTRICO 1.1. Introduccin

Las propuestas de reordenamiento institucional y regulatorio de la industria elctrica, propulsada fundamentalmente por los organismos financieros internacionales y algunos sectores polticos, colocaron en el centro del debate las visiones sobre las caractersticas esenciales del sector como actividad econmica. Las propuestas de reordenamiento institucional y regulatorio de la industria elctrica, propulsada fundamentalmente por los organismos financieros internacionales y algunos sectores polticos, han colocado en el centro del debate las visiones sobre las caractersticas esenciales del sector como actividad econmica. Durante dcadas la industria elctrica fue percibida internacionalmente como un monopolio natural, cuya incidencia en el normal desenvolvimiento de la actividad econmica y del bienestar de la poblacin llev a los Estados a intervenir crecientemente en la provisin elctrica a partir de la ltima posguerra. De esta forma el anlisis econmico de la actividad y en particular el planeamiento elctrico se desarroll sobre la base del "inters social" y en el marco de las polticas energticas vigentes. Si bien se describirn a lo largo de la materia estas visiones y las tcnicas desarrolladas para su anlisis en el largo plazo, resulta necesario remarcar que los cambios propuestos en su organizacin, en algunos casos ya implementados, afectan sustancialmente el tratamiento tradicional de estos temas. Es por ello que iniciaremos el anlisis de las particularidades del sector con algunas reflexiones sobre los temas centrales del actual debate: la naturaleza del sector y el rol que en l le cabe al Estado. 1.2.1. Naturaleza del Servicio Elctrico El hecho que durante la operacin del sistema elctrico se deba equilibrar en forma casi instantnea y permanente la oferta (generacin) y la demanda (carga), que no exista gran capacidad de almacenamiento de electricidad, y que la energa fluya por un sistema de transporte por redes fijas de tipo radial y/o mallado, le confieren al subsector caractersticas diferenciales entre las industrias energticas, y en algunos sentidos semejantes a los del gas natural. En los comienzos del servicio elctrico, se produjo una proliferacin de empresas privadas abastecedoras de electricidad en pequeos mercados que permanecan totalmente aislados. El desarrollo tecnolgico, en especial en lo que se refiere a la transmisin elctrica, permiti progresivamente interconectar reas geogrficas distantes y aprovechar las ventajas de la operacin coordinada del equipamiento de generacin con independencia del dominio de las instalaciones. Este proceso histrico fue conformando la concepcin donde el servicio elctrico constituye un monopolio natural1, visin que predomin en el anlisis econmico del sector entre la ltima posguerra y las postrimeras de la dcada del 80. Los fundamentos de esta visin son: el ahorro de inversiones en redes de distribucin y transporte y las economas derivadas de la operacin conjunta del parque de generacin. Es precisamente esta concepcin la que se cuestiona cuando, desde una base eminentemente ideolgica, algunos sectores proclaman que es slo a travs de la(1) "Monopolio Natural" es el trmino usado para caracterizar una industria en la que nicamente puede existir en el mercado una firma eficiente en un momento dado (Ferrar-Meyer, Economa de Gestin, Prentice Hall International). 1

competencia que se puede asegurar un desempeo eficiente. Se deber entonces proponer y elaborar las reformas institucionales y regulatorias necesarias a tal fin. No obstante, en general se acepta el carcter monoplico de la distribucin y la transmisin en alta tensin, ponindose nfasis en la induccin de la competencia en la generacin elctrica y en el mercado elctrico mayorista (ventas en bloque tanto a distribuidores como a grandes usuarios). El debate abarca por igual a pases en desarrollo e industrializados y est lejos de haber concluido. No pocos han avanzado en la reforma institucional y regulatoria de sus respectivos sistemas elctricos, llevando a la prctica esta nueva visin sobre el funcionamiento de la industria elctrica. Sin embargo, s es posible analizar con mayor profundidad la solidez terica de las propuestas. Hasta qu punto es posible forzar la competencia en la industria elctrica?. Ser esta incipiente competencia por s sola una garanta para mejorar su eficiencia?. En primer lugar, las inversiones en generacin se caracterizan por ser intensivas en capital y por su larga vida til. Por lo tanto desde el punto de vista econmico los operadores interesados en participar de la actividad debern hundir importantes sumas de capital y aceptar un largo perodo de recuperacin para que las tarifas elctricas no representen una carga excesiva para los consumidores. Estas caractersticas producen 2 efectos simultneos: reducen la cantidad de operadores potencialmente interesados en participar en el "negocio" y dificultan la adaptabilidad de los oferentes a cambios bruscos en las condiciones del mercado. Por lo tanto se trata de un mercado no transparente en el cual no es aplicable la teora de la competencia perfecta, y en el mejor de los casos puede llegar a establecerse un oligopolio en el cual deben esperarse conductas anticompetitivas y colusin entre oferentes. La experiencia histrica abona esta conclusin. En la ciudad de Buenos Aires, por ejemplo, a comienzos del siglo pasado la Municipalidad otorg concesiones a dos empresas extranjeras para prestar el servicio pblico de electricidad, esperando que la sana competencia entre ellas favoreciera a los consumidores de la Capital. El accionar posterior de estas empresas muestra con claridad que en lugar de disputarse el mercado ofreciendo mejores condiciones de servicio a sus usuarios, aplicaron sistemticamente la misma poltica para burlar los trminos de la concesin y evitar los controles municipales. Este es slo un ejemplo de los mltiples que la historia brinda sobre las limitaciones de la competencia en la industria elctrica. Respecto de la eficiencia y los mecanismos idneos para promoverla, es necesario aclarar previamente el alcance que se le da a este concepto. Los propulsores de la introduccin de la competencia en la industria elctrica hablan con frecuencia de la eficiencia econmica o productiva, esto es lograr un out-put determinado con una dotacin mnima de insumos y a partir de medios de produccin (tecnologa) fijos. Como se ver a lo largo de la materia, la industria elctrica tiene caractersticas especiales a este respecto que hacen que la mxima eficiencia productiva se alcance a travs de la cooperacin entre generadores (despacho econmico de cargas) antes que con la competencia. La industria elctrica no ofrece un producto nico a lo largo de un determinado perodo, sino que debe ajustarse a las modificaciones instantneas de la demanda y oferta: potencias variables, control de los flujos de potencia reactiva, constancia de la tensin y frecuencia del suministro, etc. La fuerte vinculacin e interdependencia entre las partes componentes del sistema es la que obliga a recurrir a mecanismos de cooperacin y lleva a economas de produccin conjunta. Por lo tanto el excesivo seccionamiento de la industria, que se requerira para acercarse a la competencia, puede inducir superposicin de tareas y sobrecostos operativos, alejando al sistema de la eficiencia productiva, a menos que el manejo sea centralizado y la competencia se convierta slo en una ficcin.2

En cuanto a la eficiencia asignativa, esto es la definicin de la trayectoria tecnolgica en el largo plazo determinada por las elecciones en la expansin del sistema, la separacin de las etapas de la cadena elctrica en manos de diferentes actores tambin introduce nuevos problemas. En efecto, los objetivos e intereses de los generadores y distribuidores son claramente conflictivos. Los generadores intentarn elegir alternativas de generacin que minimicen su capital invertido con independencia del costo resultante del kWh, cuyo precio en el mercado mayorista intentarn elevar para aumentar sus ganancias. A los distribuidores, por el contrario, les interesar reducir sus costos, en particular los de compra de la energa en el mercado mayorista, para poder competir mejor con otros energticos en el mercado final. La resultante de estos criterios encontrados, tanto en cuanto al precio final de la electricidad como sobre el uso de los recursos energticos, es incierta y depender fuertemente de la regulacin de la actividad. Estas caractersticas son las que colocan a la regulacin en primer plano en el manejo de la industria elctrica, incidiendo sustancialmente sobre su eficiencia.

1.2.2. Rol del Estado El debate sobre las reformas institucionales del sector elctrico parte de una fuerte crtica al rol que el Estado ha cumplido en la prestacin del servicio en las ltimas dcadas. Esta tendencia responda tanto a necesidades de reconstruccin econmica en Europa y de promocin al desarrollo en el Tercer Mundo, como al rol que el desarrollo tecnolgico le asignaba a la electricidad entre todos los energticos (la progresiva electrificacin de la produccin y de la vida cotidiana). En Amrica Latina la participacin creciente del Estado en el dominio de las instalaciones elctricas fue la respuesta al incumplimiento de los trminos de las concesiones y al desinters de las empresas privadas por esta actividad, que slo parece haberse revertido en los ltimos aos. Sin embargo, queda an por develar si el inters privado se limita a la compra de activos pblicos actualmente en funcionamiento, generalmente a un valor muy inferior al de reposicin, o si tambin estarn interesados en la construccin de nuevas obras y en el abastecimiento de las regiones o sectores menos rentables. El debate actual sobre el rol del Estado en la industria elctrica reconoce 2 vertientes aparentemente diferenciadas. En los pases desarrollados (PD) la fundamentacin del retiro del Estado es exclusivamente ideolgica, en tanto en los pases en vas de desarrollo (PVD) esta razn se complementa con el deterioro de la prestacin del servicio y las dificultades econmicas y financieras del Estado para hacer frente a nuevas inversiones. En este caso la base ideolgica de las crticas se aprecia en la falta de un diagnstico claro sobre el verdadero origen de la actual crisis. Pero ms all de su participacin empresaria, el Estado no puede retirarse de la regulacin del sector, velando por el inters de los consumidores, la seguridad pblica, la proteccin del medio ambiente, el uso racional de los recursos energticos y garantizando que la industria elctrica no se constituya en un obstculo al desarrollo econmico y social. Precisamente los xitos alcanzados por las empresas pblicas elctricas en estos importantes objetivos estn generalmente ausentes de la evaluacin que se hace del "Estado Empresario", centrndose la crtica en el deterioro del servicio en los ltimos aos e ignorando el contexto econmico nacional e internacional que debieron enfrentar las empresas elctricas.

1.2.3. La magnitud de las inversiones El valor absoluto de las inversiones requeridas por la industria elctrica es de singular3

relevancia, estando en todos los pases entre los de mayor participacin relativa en la inversin nacional total (2). Como se estudia en el caso de la planificacin financiera, los fondos para asegurar un financiamiento adecuado no slo deben afectarse a la prestacin del servicio actual sino a las necesidades de expansin y no siempre las tarifas permiten alcanzar el autofinanciamiento. El encarecimiento de los bienes de capital, as como de los combustibles fsiles, hizo que los gobiernos debieran aportar en forma creciente recursos econmicos y financieros extrasectoriales o que los servicios se encarecieran significativamente. Cuando se trat de limitar la participacin estatal, las empresas elctricas tuvieron que acudir al mercado de capitales creando situaciones de endeudamiento descontrolado. En cuanto a la incidencia sobre el sector externo, el aumento de costos de inversin y los gastos en concepto de combustibles hicieron que las empresas recurrieran con mayor frecuencia al mercado internacional de capitales, donde los prstamos "blandos" no crecieron en cuanto a disponibilidad con el mismo ritmo que la demanda, al mismo tiempo que los prstamos de instituciones privadas se fueron encareciendo cada vez ms. Esta situacin incidi de manera considerable al sector elctrico dentro de la demanda externa global de Amrica Latina.

1.2.4. El servicio elctrico y el desarrollo La incidencia del valor agregado de la electricidad dentro del conjunto de la economa es pequea. No obstante, el carecer de ella en el momento oportuno y con la calidad de servicio requerida ha imposibilitado muchas veces el desarrollo de grandes proyectos industriales, de la pequea y mediana empresa, de los servicios y de la comunidad en su conjunto. Dado que la energa elctrica no puede almacenarse en grandes cantidades, deber producirse en el momento de ser consumida, lo cual aumenta la necesidad de no cometer errores en la previsin. Resulta difcil imaginarse un pas desarrollndose sin el correspondiente acompaamiento de la prestacin del servicio elctrico en generacin, transmisin y distribucin. En los estadios ms avanzados del desarrollo (3) se deben encarar proyectos de mayor insumo elctrico (caso de las industrias siderrgicas, electroqumicas, etc.) que requieren una mayor atencin desde el punto de vista del costo y de la calidad del servicio, por ser mucho ms exigentes desde ambos puntos de vista. Cabe destacar que sea cual fuere la estrategia de desarrollo, habr una tendencia irreversible hacia una mayor participacin elctrica que se manifestar como lo que algunos han llamado una mayor electrificacin de la energa y mayor electrificacin de la economa. Decididamente aquellos pases que se hallan en proceso de industrializacin debern incrementar cada vez ms su capacidad de produccin de bienes para la industria elctrica con la consiguiente disminucin de la dependencia exterior (aunque aumentarn las necesidades de financiamiento local). Todo proceso de desarrollo econmico exige tambin, una mayor electrificacin de reas rurales y ampliacin y mejora del servicio en zonas urbanas. Esto debera llevar a un aumento de la productividad agropecuaria y a un mejoramiento de las condiciones de vida de(2) (3) Se han observado incidencias sobre el total de las inversiones pblicas nacionales del 20%, 30% y an ms. Cabe destacar que nos referimos a pases en vas de desarrollo. 4

la poblacin. Lgicamente estos aspectos dependern del estilo de desarrollo que se adopte. Si bien se discute actualmente el estilo "petrleo intensivo"; menor o inexistente es el cuestionamiento de la creciente participacin elctrica en cualquier estilo de desarrollo de los generalmente planteados, pero las formas de producir, transportar o distribuir tal energa elctrica s dependern del modelo elegido.

1.2.5. El lejano horizonte de planeamiento Cualquier proceso de planificacin requiere fijar uno o varios perodos para llegar al horizonte de planeamiento en el cual se analizan los problemas y las posibles soluciones dentro de un futuro posible y deseable. Este perodo no debe ser demasiado corto como para dejar de dar cabida a los proyectos de gran envergadura ni tan largo como para incrementar la incertidumbre a lmites indeseables e innecesarios. Los grandes proyectos de generacin elctrica, en especial los hidro y ncleo-elctricos, poseen largos perodos de maduracin; si se desea que ellos intervengan entre las soluciones posibles, el horizonte deber incluir tiempos ms largos que los de maduracin citados. Suponiendo como necesarios, desde el comienzo del estudio de factibilidad4 hasta la puesta en marcha comercial, uno a diez aos y considerando como mnimo extender el perodo en una vez y media este tiempo; los planes de hoy debern llegar al ao 2020, aproximadamente. La dificultad que trae aparejado este largo tiempo requerido es que el subsector necesita para su planificacin de los datos de los dems sectores de la economa en cuanto a desarrollos futuros. Rara vez se encuentran sectores que planifiquen ms all de 5/10 aos y es por ello que algn ente debera hacer planes flexibles que traten de contemplar alternativas posibles, inclusive, muchas veces, autoplantendolas por falta de datos de otros sectores, en especial cuando no existen entes centrales de planificacin. Lo antes dicho aumenta la responsabilidad de los planificadores energticos obligndoles a insertarse en el proceso global de desarrollo yendo, al menos temporalmente, ms all de lo que les sera propio o especfico.

1.2.6. El costo de la energa elctrica Muchas veces se ha sostenido que la incidencia del costo de la energa elctrica sobre el de la produccin de la mayora de los bienes y servicios es bajo 5, as como que la demanda es inelstica al precio. Un razonamiento basado en hiptesis de este tipo puede llevar a errores de gran importancia, ya que: a) Deben tomarse los costos directos e indirectos de toda la cadena de produccin de un bien (6).Se supone, por ejemplo, contar con estudios hidrolgicos confiables y de duracin apropiada, para las soluciones hidrulicas. Por ejemplo, en la Repblica Argentina, en 1997, segn la Matriz insumo-producto, se estim en aproximadamente un 4,5% la incidencia promedio del costo de la energa elctrica. Por ejemplo, cuando se analiza el precio final del pan, no es slo el costo de la energa en la panadera sino tambin en el molino, en la produccin y transporte de trigo, etc. 5

(4) (5) (6)

b)

En incrementos de precios, tan comunes en economas inflacionarias, es bien sabido el efecto psicolgico de un aumento de la electricidad sobre casi todos los productos, superando lo racionalmente aceptable. Pensando en el largo plazo, tanto los nuevos procesos tecnolgicos as como el aumento del confort, harn que la energa elctrica aumente considerablemente su participacin en las distintas actividades. Toda vez que se piense en la exportacin de productos industriales, las comparaciones deben hacerse en forma marginal con los otros pases competidores, la mayora de ellos industrializados y con ms bajos costos de la energa elctrica que los pases en vas de desarrollo. Los costos de la energa elctrica han crecido en forma importante a partir de 1973 no slo por el fuerte incremento de los precios de los combustibles sino tambin por los ms altos costos de capital, financieros, etc. La actual crisis petrolera ya ha generado nuevos impactos desfavorables. La elasticidad-precio puede alcanzar en ciertos sectores de consumo valores tales que dejan de hacer indiferente la demanda al precio (7), como se supona en el pasado. La elasticidad-ingreso es importante en los consumos residenciales y posee un efecto combinado con la anterior. Los pases industrializados lograron su mayor desarrollo en pocas de energa barata, circunstancia por la que atraviesan de manera diversa los PVD Los pases industrializados lograron su mayor desarrollo en pocas de energa barata, circunstancia por la que atraviesan de manera diversa los pases en vas de desarrollo.

c)

d)

e)

f) g) h) h)

1.2.7. La dinmica de la demanda Es bien conocido que la demanda elctrica crece de manera considerable y a veces mucho ms en los PVD que en los PD. Es comn encontrar literatura donde se habla de una duplicacin decenal de la demanda de estos ltimos, as como hallar en nuestros pases duplicaciones cada siete u ocho aos, o an menos. Con estos valores de crecimiento, dentro del horizonte que consideramos razonable, tendremos que el valor actual de potencia o energa se multiplicar varias veces. Ello implicara capacidades de generacin, transporte, distribucin, etc. que crecern en proporciones parecidas. Si se tiene en cuenta una relacin entre ese crecimiento de capacidad instalada y el costo de inversin respectivo, fcil es sacar conclusiones sobre cual deber ser la magnitud de las inversiones para afrontar la expansin del sistema de manera que la demanda no quede insatisfecha. 1.2.8. Las ofertas alternativas La oferta, especialmente desde el punto de vista de la generacin, cuando se trabaja con(7) En un estudio para la Provincia de Entre Ros, Repblica Argentina, se hallaron valores de -0,2/-0,41 para los consumos residenciales y -0,8/-1,2, para los industriales (CFI, Planeamiento Global de Largo Plazo para la Provincia de Entre Ros). 6

horizontes temporales largos y se dispone de recursos naturales diversos, puede presentar distintas alternativas que, slo mediante una adecuada planificacin, permitirn llegar a la mezcla ptima de equipamiento. La oferta, especialmente desde el punto de vista de la generacin, cuando se trabaja con horizontes temporales largos y se dispone de recursos naturales diversos, puede presentar distintas alternativas que, slo mediante una adecuada planificacin, permitirn llegar la mezcla ptima de equipamiento. No slo entre fuentes primarias (hidroelectricidad, petrleo, gas natural, carbn, etc.) debe hacerse la eleccin, sino que tambin dentro de cada una de estas fuentes habr alternativas y variantes que debern estudiarse adecuadamente y ello encierra una gran complejidad. A este anlisis de tipo energtico, habr que agregar la consideracin de las pautas globales de desarrollo, por ejemplo si se desea que la participacin de la industria local aumente, se podrn fabricar equipos en el pas, construir centrales hidrulicas en vez de trmicas, elegir sistemas de transporte y distribucin ms convenientes, etc. En cuanto a la transmisin, tendr una fuerte dependencia de lo que se elige en generacin pero, aunque en menor grado, la inversa tambin es vlida. Asunto distinto es el de las interconexiones a los que naturalmente se va llegando entre sistemas que se expanden en potencia y rea. Esto no slo ocurre entre regiones de un pas sino que va ocurriendo entre pases con lo cual la decisin necesariamente pasa de ser un problema estrictamente elctrico para tener implicaciones que deben estudiarse en relacin con las polticas globales de desarrollo. Las alternativas que permitan ms independencia energtica debern analizarse dentro de ese marco general y cada pas tiene, como es bien sabido, caractersticas propias que exigen una ntida diferenciacin.

1.2.9. Los efectos ambientales Cada vez ms, los estados han tenido que tomar injerencia en los problemas ambientales que las industrias van creando. Con frecuencia, en nuestros pases se han intentado transplantar problemas y soluciones propias de pases altamente industrializados aunque la problemtica no es la misma. La generacin de electricidad, principalmente, as como en menor escala su transmisin y distribucin no escapan al anlisis de industria contaminante que puede provocar efectos nocivos sobre el ecosistema donde actan. Cada vez ms, los estados han tenido que tomar ingerencia en los problemas ambientales que las industrias van creando. Con frecuencia, en nuestros pases se han intentado transplantar problemas y soluciones propias de pases altamente industrializados aunque la problemtica no es la misma. La generacin de electricidad, principalmente, as como en menor escala su transmisin y distribucin no escapan al anlisis de industria contaminante que puede provocar efectos nocivos sobre el ecosistema donde actan. No obstante, no son las centrales trmicas las ms agresivas al medioambiente y sus efectos pueden controlarse ms fcilmente que en ciertas industrias o el transporte. En general, cuando actuaron los organismos de gobierno especializados, las empresas elctricas casi siempre omitieron o subestimaron su papel de contaminantes. Existe conciencia de que, especialmente en las grandes metrpolis de Amrica Latina, deber7

afrontarse seriamente el problema de la contaminacin ambiental de todo tipo y las empresas elctricas, en este caso no slo actuando como una industria ms, sino como servicio pblico debern cargar a sus costos la necesaria adecuacin de los equipos a las regulaciones oficiales en materia de medio ambiente. 1.2.10. Componentes El sistema elctrico es un conjunto de componentes tecnolgicos, que permiten cubrir las etapas de conversin de otras formas de energa (generalmente mecnica) a energa elctrica, su transporte en gran y/o pequea escala as como la conversin a sus usos finales. Es una cadena conformada por distintos eslabones Los sistemas elctricos se han ido enmallando y complicando con el transcurso del tiempo, producindose tambin una especializacin de los mtodos de estudio y una particularizacin del lenguaje tcnico empleado, que los hacen aparecer un poco nebulosos e incomprensibles para los no especialistas. Un sistema elctrico ser la red urbana de distribucin, o las lneas areas interprovinciales de dimensiones espectaculares, o ciertos equipos generadores colocados al final de las instalaciones hidrulicas, etc. En la prctica, no es muy comn que las centrales generadoras se puedan instalar en la vecindad de todos los consumos importantes. Ello como resultado de diversas razones tcnicas y econmicas, tales como por ejemplo la ubicacin geogrfica de los desniveles y caudales adecuados, en el caso de las centrales hidrulicas; la mejor ubicacin desde el punto de vista del abastecimiento de combustible, y de las fuentes apropiadas de agua de refrigeracin en el caso de las centrales trmicas, la ubicacin alejada de los centros urbanos, y cercana a fuentes apropiadas de agua de refrigeracin, en el caso de centrales nucleares, etc. Este hecho obliga a construir uniones elctricas ms o menos importantes entre las centrales y los consumos, uniones que paulatinamente dan origen a redes ms y ms complicadas. Las etapas de un sistema elctrico pueden caracterizarse mediante varios conceptos, tales como por ejemplo la tensin empleada en ellos, la funcin que cada una cumple, la topologa que se emplea en esa parte de la red, etc. Tal vez la forma ms clara de diferenciar el sistema sea a travs de la funcin que cumplen sus distintas etapas, ya que ella determina las cantidades de potencia y energa que debe entregar, y como consecuencia de ello, la tensin que conviene usar y las restricciones que se impondrn a su funcionamiento. Desde este punto de vista se distinguen: a) b) c) d) Centrales qeneradoras, en las que se transforma la energa trmica o hidrulica en energa elctrica. Redes de Transmisin, que llevan la energa desde las centrales generadoras a la regin en que estn los consumos. Redes de Distribucin, que alimentan directamente los consumos. Consumo

Algunos ejemplos de posibles representaciones de sistemas elctricos se presentan en las figuras siguientes. Figura 1.1 Esquema simple de un sistema elctrico completo8

Generacin

Transmisin

Distribucin

Consumo

Tambin puede analizarse la estructura de un sistema elctrico a partir de considerar los diferentes actores involucrados como por ejemplo el siguiente grfico: Figura 1.2 Actores de un sistema elctrico

Generador

Consumidor

Generador

Transportista Mercado Mayorista

Distribuidor

Consumidor

Generador

Distribuidor

Consumidor

Generador

Comercializador

Consumidor

Un esquema ms amplio y a la vez detallado se presenta en la figura siguiente. En los captulos siguientes se presentan las principales caractersticas de cada uno de los principales eslabones que conforman la cadena de produccin elctrica. Se abordarn aspectos tcnicos y econmicos. En bibliografa anexa se presentarn otros aspectos relevantes vinculados a la temtica Figura 1.3 Esquema de un sistema elctrico completo

9

Importaciones Exportaciones Prdidas

Demanda EE EE. CF EE. Total

EE. SP

Oferta EE.SP EE. env. a Red

Servicio pblico Interconectado Servicio Pblico Aislado

Equipam. SP I

Fuentes SPII

EE. AP EE. CP Consumos propios del sector energa Oferta EE. AP

SP A

Fuentes SPA

Autoprod. EE. Gener. Prdidas

Equipam. A P

Fuentes A P

INVERSIONES

10

2. DEMANDA DE LA ENERGIA ELECTRICA 2.1. La Demanda

2.1.1. Curva de carga diaria

Consideremos un Sistema Elctrico de Potencia, como el que se muestra en la Figura 2.1., donde las diversas centrales generadoras, representadas por un generador equivalente "Gen", suministran una cierta potencia "P" a travs de una lnea de transmisin, a una carga C que se modela concentrada.

Figura 2.1.Gen P C

~Las principales caractersticas de la demanda que deben ser consideradas en el anlisis de un SEP, es por un lado su variabilidad en el tiempo, y por el otro, que debe ser satisfecha instantneamente. La carga debe ser atendida por la generacin tanto en sus requisitos de energa demandada (consumo durante un intervalo de tiempo), como de potencia mxima instantnea. Si se grafica la potencia "P" suministrada a la carga "C" por el generador equivalente "Gen" a la carga "C", a lo largo de un da, se obtiene una curva como la de la Figura 2.2. Dicha curva se denomina CURVA DE CARGA DIARIA. Vemos que el rea bajo la curva (rayada en la Figura 2.2.) es la energa que consume la carga concentrada C durante 24 horas

A=

Pd (t ). dt0

T

Figura 2.2.P

P. Mx

P. Med

P. Mn

Tu t (h) 6 12 T 18 24

0

11

Supongamos ahora que "Gen" es un solo generador que suministra potencia a travs de una lnea de transmisin a la carga "C", cuya demanda diaria est representada por la curva de la Figura 2.2. Para que dicha demanda sea satisfecha sin problemas, el generador debe ser capaz de entregar en cualquier instante t la potencia requerida a lo largo de todo el da. Evidentemente, entonces, su potencia instalada debe ser como mnimo, igual a la carga mxima requerida por la carga ms las prdidas que tuvieran lugar en el trayecto que va de la generacin a la demanda: Pinst Pd mx + Prdidas P inst. P mx Esto significa que debe realizarse una inversin para instalar una potencia que no va a ser utilizada plenamente, dejando una capacidad ociosa durante la mayor parte del tiempo, con el consiguiente costo del capital inmovilizado. Por otra parte, al funcionar la instalacin en condiciones de carga inferiores a la nominal, disminuye su rendimiento incrementando los costos operativos. Si "Gen" es la resultante de una serie de equipamientos de distinto tipo el problema anterior puede reducirse, plantendose entonces el interrogante de cmo satisfacer la demanda para todos los das del ao con una combinacin ptima de equipamiento. Ahora se caracterizar una curva como la de la Figura 2.2. por medio de ciertos parmetros. En primer lugar se define la potencia media, Pmed, como el valor medio de la funcin Pd(t) en el intervalo "T" considerado: En primer lugar definiremos la potencia media, como el valor medio de la funcin P(t) en el intervalo "T": T 1 P = --- T 0 A --T

P dt =

(1)

Un parmetro que caracteriza la forma de la curva es el factor de carga " ": P A = -------- = ---------T.Pmx Pmx (2)

Siendo Pmax el mayor valor instantneo de la carga en el perodo considerado. Se puede observar que es adimensional Lo ideal es que este factor sea 1, ya que desaparecera la relevancia que tiene el pico de la demanda respecto del valor medio. Otro parmetro es el tiempo equivalente Tu o Te, que es el tiempo que tiene que transcurrir para que una carga alimentada a su potencia mxima, consuma una energa igual a la encerrada por la curva de carga sealada en la Figura 2.2 A Pmx . Te -------- = ----------T.Pmx T.Pmx .. Te = . T12

el tiempo equivalente, obviamente se medir en horas. En sntesis, una curva de carga puede caracterizarse por la Potencia mxima, o carga mxima: "Pmx"; por su factor de carga: " "; por su potencia media: "P" y por su tiempo equivalente "Te/Tu". 2.1.2. Variaciones diarias, mensuales, estacionales y anuales Se analizar ahora cul es el comportamiento de la demanda, no ya en un da en particular, sino a lo largo de todos los das del ao. Dado que las definiciones anteriores se han efectuado sobre la base de una curva de carga generalizada a un perodo T, las mismas son vlidas cualquiera sea dicho perodo (diario, mensual, estacional o anual). En primer lugar, se observa una variacin diaria segn se trate de das laborales o no laborales. En los das no laborables normalmente cae la demanda debido a que la mayor parte de la industria est inactiva. O sea que en principio puede hablarse de curvas de cargas tpicas para das laborables y no laborables. En primer lugar, se observa una variacin diaria segn se trate de das laborales o no laborales. En los das laborables normalmente cae la demanda debido a que la mayor parte de la industria est inactiva. O sea que en principio puede hablarse de curvas de cargas tpicas para das laborables y no laborables. Por otra parte, hay modificaciones de la demanda segn el mes de que se trate y segn la estacin del ao, influenciada en gran parte por las condiciones climticas (8). En la Figura 2.3. se representan algunas curvas tpicas promedio para el Sistema de la Repblica Oriental del Uruguay y de la Repblica Argentina (Gran Buenos Aires - Litoral). Vemos entonces que el problema inicial de manejar una gran masa de informacin, como lo es el conjunto de las 365 curvas de carga diarias del ao, puede reducirse estudiando la variacin diaria para das tpicos laborables y no laborables de invierno y verano, por ejemplo, o con una mayor apertura estacional y an anual. Para ello era comn utilizar una representacin tridimensional denominada montaa de cargas tal como se ve en forma simplificada en la Figura 2.4, o una representacin en el plano por medio de curvas de isopotencia, tal como se ilustra en la Figura 2.5. Sin embargo, para el objetivo que nos hemos planteado, existe un mtodo mucho ms simple y efectivo de caracterizar la demanda en un ao dado y que tambin permite efectuar anlisis estacionales. Dicho mtodo se explica en el punto siguiente.

(8)Particularmente interesa conocer la demanda a nivel estacional en los sistemas hidrotrmicos, donde es necesario tener en cuenta las variaciones hidrolgicas, el mantenimiento programado de las mquinas trmicas, etc. 13

FIGURA 2.3

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FIGURA 2.4. MONTAA DE CARGAS

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FIGURA 2.5. CURVAS DE NIVEL DE POTENCIA

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2.1.3. Diagrama ordenado de duracin de cargas Toda la demanda de potencia de un ao puede resumirse en el diagrama ordenado de duracin de cargas o CURVA MONOTONA DE CARGA, que se obtiene de la forma indicada a continuacin. Sea la curva de carga de un da cualquiera del ao, similar a la de la Figura 2.2. Si queremos representar las potencias demandadas en todas las horas del ao, deberamos graficar en forma correlativa y continuada a todas las curvas de carga diarias, comenzando por la del 1o de enero y terminando en la del 31 de diciembre. Es decir, que obtendramos un diagrama cuya extensin total en abcisas sera 8.760 horas (el no total de horas del ao), comenzando en las 0 horas del 1 de enero y finalizando en las 24 horas del 31 de diciembre. Esto implica haber ordenado las cargas horarias en el orden cronolgico que se fueron presentando. Si ahora las reordenamos, no ya en virtud el mencionado orden cronolgico, sino en funcin de su magnitud de manera montona decreciente obtendremos una curva como la de la Figura 2.6. En dicha Figura, en abcisas tendremos tambin todas las horas del ao, pero no ordenadas en orden correlativo sino en funcin de la magnitud decreciente de la potencia demandada en cada una de ellas. Figura 2.6. Diagrama ordenado de duracin de cargas

Si bien la obtencin de la curva montona se ha explicado para un perodo anual, el procedimiento es vlido para un perodo "T" de cualquier otra duracin, como por ejemplo mensual o estacional. Dado que la montona no es otra cosa que la representacin de P=(t) para el perodo T con otro ordenamiento, sigue siendo vlido que el rea bajo la curva representa la energa requerida en dicho perodo: A = Pd (t ). dt0

T

Veamos ahora como puede interpretarse dicha rea en funcin de las potencias entregadas a la carga. Podemos suponer el rea bajo la curva dividida en franjas horizontales, de manera que el rectngulo inferior equivale a una potencia "Pmn" demandada durante todo el perodo "T" y cada una de las franjas elementales superiores corresponden a una potencia P, que se va adicionando a la anterior, entregada durante una cantidad menor de horas t (ver Figura 2.6.). De esta forma se va completando el rea (la energa) con rectngulos17

elementales de potencia P y duracin "t". Esta es la razn tambin de la denominacin de curva de duracin de potencias. En realidad lo que se hace es referir el tiempo t al perodo considerado T, de tal manera que la curva se transforma en una curva acumulada de probabilidad, indicando entonces el porcentaje del tiempo en que la carga es superior a un determinado valor. En funcin justamente de la duracin de las cargas puede efectuarse una divisin del diagrama en cuatro zonas, definidas segn se indica en la Figura 2.7. considerando un perodo anual. La zona I es la que se denomina punta del diagrama, con cargas de duracin entre 0 y 1000 horas. La zona II es semipunta, con duracin de cargas entre 1000 y 3000 horas. La zona III corresponde a la semibase, con un tiempo de utilizacin entre 3000 y 7000 horas, y por ltimo la zona IV que constituye la base del diagrama, con duracin entre 7000 y 8760 horas anuales. Figura 2.7. Divisin del Diagrama ordenado de duracin de Cargas en Zonas

Hay que aclarar que, por supuesto, los lmites establecidos de 1000, 3000 y 7000 horas no son absolutos y se han utilizado a los efectos de facilitar la explicacin. De todos modos los valores normalmente utilizados estn dentro del orden de los indicados. Por ltimo diremos que para el clculo prctico, en computadora, la montona de cargas suele dividirse en perodos discretos como se indica en la Figura 2.8. Puede ser necesario construir una por cada ao, o tambin para cada estacin del ao, si stas deben ser representadas separadamente. Otras veces suelen utilizarse aproximaciones mediante trapecios.

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Figura 2.8. Aproximacin rectangular de un diagrama ordenado de duracin de cargas

2.1.4. Potencias reducidas En ciertas oportunidades resulta prctico trabajar con valores unitarios de cargas en el anlisis de la modulacin diaria. Para ello se usa el concepto de potencia reducida, que se define de la siguiente manera: Si ED es la energa diaria (para una curva de cualquier da, una curva tpica, etc.), la potencia media ser: ED P = ---24 A ese valor le corresponder una potencia reducida unitaria. Todos los dems valores de la curva estarn referidos a ese valor y sern mayores o menores a la unidad segn que sus valores absolutos superen o estn por debajo de P. Figura 2.9. Potencia reducida

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2.1.5. Curva integral de energa Figura 2.10. Curva montona e integral de energa

A partir de una curva montona (P,t) se puede construir una curva en la cual a cada valor de "P" (ordenadas) se le asigna el correspondiente valor de energa. En la Figura 2.10 se ilustra el intervalo de potencias (P1 - P2) al cual le corresponde la energa A1-2 (superficie rayada en la montona y valor lineal en la segunda). Es decir que la curva integral representa en forma lineal a la potencia y a la energa. Se observa que la forma de la curva ser no lineal entre "Pmx" y "Pmn" y lineal entre el eje de abcisas y "Pmn". A esta curva suele llamrsele curva integral de energa.

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3. EL EQUIPAMIENTO DE PRODUCCION Vamos ahora a efectuar una descripcin del panorama referido a las posibilidades de generacin de electricidad segn los tipos de equipamientos disponibles con la tecnologa actual. Analizaremos en primer trmino el equipamiento trmico convencional y luego el hidrulico. En los apuntes Tecnologa de la Energa Elctrica y Tecnologa Nuclear se profundizan y actualizan algunos de los temas aqu presentados. Se incluye en este captulo nicamente aquello que se refiere a la generacin en los sistemas centralizados ya que la generacin en pequea escala para sistemas descentralizados es objeto de otras partes del Curso. 3.1. El equipamiento trmico

Los tipos de equipamiento trmico convencional empleados actualmente en el servicio elctrico son bsicamente los turbogeneradores de vapor, las turbinas de gas, los ciclos combinados y las mquinas Diesel. Cada uno de ellos tiene caractersticas tcnico-econmicas bien diferenciadas que los hacen aptos para distintas condiciones del servicio, hecho que debe tenerse en cuenta cuando se deciden ampliaciones de equipamiento y cuando se programa la operacin del mismo. Los tipos de equipamiento trmico convencional empleados actualmente en el servicio elctrico son bsicamente los turbogeneradores de vapor, las turbinas de gas y las mquinas Diesel. Cada uno de ellos tiene caractersticas tcnico-econmicas bien diferenciadas que los hacen aptos para distintas condiciones del servicio, hecho que debe tenerse en cuenta cuando se deciden ampliaciones de equipamiento y cuando se programa la operacin del mismo. Con respecto a los grupos Diesel se disponen en un rango de potencias unitarias relativamente bajas, lo que los hace poco convenientes para aportar energa a sistemas elctricos grandes en virtud de su elevado costo y a la necesidad de muchas unidades en paralelo. De todos modos, como son equipos de muy rpida instalacin, pueden resolver el problema de la prestacin del servicio elctrico en pequeos sistemas o en localidades aisladas, donde los bajos requerimientos de la demanda tornan antieconmica la instalacin de otro tipo de equipamiento. Por lo expresado anteriormente, en general los equipamientos tipo Diesel se descartan para su utilizacin en grandes sistemas interconectados. Las turbinas de gas son equipos cuyos mdulos han ido evolucionando conforme al progreso tecnolgico, cubriendo un rango de potencias superior a las mquinas diesel, llegndose a construir en la actualidad grupos de hasta 150 MW. El perodo de instalacin es corto, del orden de dos aos. El costo unitario de la potencia instalada es bajo, pero el costo operativo (o sea el costo directo del kWh generado) es relativamente alto debido al rendimiento trmico y al tipo de combustible empleado, en especial si no hay gas. En general las turbinas de gas se utilizan en la punta del diagrama de cargas, donde se requiere el aporte de una potencia elevada durante un tiempo muy corto, es decir con baja entrega de energa. Adems son apropiadas para reemplazar a los grupos Diesel en localidades aisladas con poca disponibilidad de agua. Su tiempo de utilizacin depender del costo de operacin dentro del sistema. El mismo ha sido creciente y alcanza hasta las 5.000 hs. La eficiencia de las turbinas de gas puede incrementarse utilizando la energa interna remanente de los gases de escape para precalentamiento del agua que ingresa a un generador de vapor de una instalacin de vapor, obtenindose un ciclo combinado con mayor rendimiento conjunto. Sobre este aspecto, la tecnologa ha evolucionado de manera21

importante en los ltimos aos. Con referencia a las centrales de vapor, vale mencionarse que las mismas se han ido presentando en mdulos cada vez mayores y ms eficientes, con una neta disminucin del consumo especfico. Justamente por su mayor eficiencia y adems por su lentitud de puesta en marcha (aunque se han desarrollado mquinas de arranque rpido), estas instalaciones son especialmente adecuadas para operar en la base del diagrama de cargas, o a lo sumo en la semibase cuando se trata de unidades ms antiguas con rendimientos ms bajos. Tambin en la situacin actual de los mercados elctricos si son muy antiguas y de poco rendimiento casi nunca entran en el despacho debido a su alto costo marginal, pudiendo tal vez entrar como generacin forzada en raras ocaciones. Adems son indicadas para el suministro a sistemas interconectados, lo que permite en cierta medida desligarse del problema de la localizacin, aunque limitada por la necesidad de disponer de agua suficiente para refrigeracin, sobre todo en las unidades de mayor tamao, permitiendo su instalacin en el litoral martimo y cerca de ros o lagos importantes. Por otra parte, la operacin de un equipamiento de este tipo en condiciones de fuerte variacin de carga necesariamente incrementa los costos operativos debido a su caracterstica de variacin de consumo especfico en funcin de la carga, que es de la forma indicada en la Figura 3.1. Como puede observarse, la instalacin est diseada para una potencia nominal "Pnom" para lo cual es mnimo el consumo especfico. En cualquier otra condicin de sub-utilizacin o de sobrecarga el gasto especfico de combustible "Ge" aumenta apreciablemente. Figura 3.1. Consumo Especfico en funcin de la carga

Esto obliga a operar el conjunto de mquinas que constituyen un sistema de produccin de energa elctrica, de tal manera que el costo total de produccin sea mnimo; es decir que se debe efectuar un DESPACHO ECONOMICO DE CARGAS, como se ver ms adelante. En la Figura 3.2. se indica una curva tpica del consumo de combustibles (en 106 Kcal/h) en funcin de la potencia de salida de la mquina. Dividiendo dicho consumo de combustibles "G" por la potencia de salida "P" en cada punto, se obtiene el consumo especfico de combustibles Ce en Kcal/KWh, tal como se indica en la curva de la Figura 3.1. mencionada. En la misma Figura se indican "Pmin" y "Pmx" que son las potencias mnimas y mximas que fijan el intervalo en el que puede operar la mquina. Figura 3.2. Consumo de Combustible en funcin de la potencia generada

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En la actualidad se encuentran en servicio grupos de vapor de 1000/1200 MW. Como ejemplo de las mejoras tecnolgicas introducidas en las centrales de vapor, se indica, en la Figura 3.3., la evolucin del consumo especfico de la unidad mayor en la Argentina, en funcin del tiempo, y en la Figura 3.4. su representacin en funcin del tamao de la unidad. Figura 3.3. Evolucin histrica del consumo especfico del tamao

Figura 3.4. Evolucin del consumo especfico de la unidad mayor

En ambas figuras se observa claramente la notable mejora en el rendimiento de los grupos de vapor obtenida al introducirse los resultados del avance tecnolgico en el desarrollo de las modernas unidades as como la economa de escala que los caracteriza.

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No obstante, puede decirse que, en este tipo de equipamiento, pocos cambios tecnolgicos pueden esperarse en el futuro, de manera que se tiende a una estabilizacin en los rendimientos (Figura 3.4). Por otra parte, el incremento de las potencias unitarias trae aparejadas ciertas restricciones, como lo es su localizacin ms adecuada. Por un lado la necesidad de un caudal de refrigeracin elevado obliga a la instalacin de este tipo de plantas en sitios con gran disponibilidad de agua; por otro, la gran magnitud del consumo anual de combustibles induce a analizar la conveniencia de la ubicacin cerca del consumo o cerca de las fuentes de combustibles (refineras, mina de carbn, etc.), con las correspondientes facilidades portuarias que permitan el manipuleo de estos combustibles. La eleccin del mdulo ms adecuado para el desarrollo elctrico en un pas dado va a depender de la capacidad tecnolgica del mismo para manejar proyectos de envergadura y tambin del tamao de su sistema elctrico. Es evidente que, en un anlisis que sale fuera del marco de los estrictamente sectorial y para un determinado pas considerado como un todo econmico, puede ser ms conveniente emplear mdulos ms pequeos que le permitan obtener un desarrollo tecnolgico autnomo con todas las ventajas que ello implica desde el punto de vista del crecimiento de la industria local, ahorro de divisas, etc., a pesar de no conseguir el mayor ahorro de combustibles. Tambin hay que tener cuidado que el mdulo elegido sea coherente con el tamao del sistema donde se va a instalar, para evitar los problemas operativos en caso de fallas que obliguen a incrementar la capacidad de reserva. Para ejemplificar lo dicho, consideremos un mdulo de 600 MW, y un sistema cuya potencia total es de 6000 MW; si tal mquina sale de servicio por falla o por mantenimiento programado; implica la salida de un 10% de la potencia instalada total, que est dentro de los mrgenes normales de reserva. Si ahora consideramos, como extremo, un sistema de 600 MW con un solo grupo de generacin, la salida de este grupo implica que el 100% del sistema queda fuera de servicio, siendo necesario tener otra mquina igual como reserva, con el consiguiente costo de capital inmovilizado. En un caso intermedio cualquiera, habra que hacer un anlisis especfico para poder emplear un tamao de mquina adecuado. En los ltimos aos se han producido importantes avances en la utilizacin de instalaciones que tienden a la mejora de los rendimientos ya que los altos costos de los combustibles lo justificaban. Una manera de hacerlo es mediante la utilizacin del vapor, producido en una caldera, para impulsar una turbina que acciona un generador elctrico. El vapor que sale de la turbina es usado luego para generar calor en el proceso industrial requerido. A esto se lo denomina cogeneracin y constituye una manera de autoproducir energa en industrias, que puede ser empleada por ella misma o ser inyectada en la red de servicio pblico. Un sistema de cogeneracin que posee un buen equilibrio entre estas dos formas de energa, aumenta el rendimiento global del combustible utilizado. Otra manera consiste en utilizar la relativamente gran cantidad de calor de los gases de escape de las turbinas de gas, en un generador de vapor para recuperacin de calor. Ello puede hacerse con o sin combustin en el generador de vapor y constituye un ciclo combinado para la produccin de energa elctrica. A pesar de los costos de inversin elevados de este tipo de instalaciones, en muchas oportunidades puede convenir al industrial la autoproduccin y tambin a la comunidad, ello constituye autoproduccin justificada (generacin distribuida) y la energa producida puede ser inyectada en la red pblica si sus costos son menores que los costos de produccin en el momento que ello se produce (obviamente interesa el pico). Si la instalacin es realizada por la empresa de servicio pblico, se contribuir sensiblemente al mejor aprovechamiento de los combustibles mediante ciclos ms eficientes. En la Figura24

3.5. se pueden observar, a ttulo comparativo, los rendimientos de distintos tipos de generacin que emplean combustibles fsiles Si la instalacin es realizada por la empresa de servicio pblico, se contribuir sensiblemente al mejor aprovechamiento de los combustibles mediante ciclos ms eficientes. En la Figura 3.6. se pueden observar, a ttulo comparativo, los rendimientos de distintos tipos de generacin que emplean combustibles fsiles. Los mejores rendimientos de los ciclos combinados y de la cogeneracin tienen ventajas adicionales cuando pueden usarse, parcial o totalmente, combustibles de menor costo como es el caso, por ejemplo, de los residuos industriales o urbanos. Figura 3.5. Comparacin de rendimientos en centrales con combustibles fsiles

3.2.

El equipamiento hidrulico

Analizaremos a continuacin los diferentes tipos de centrales hidrulicas y las caractersticas de su utilizacin para cubrir la demanda de un sistema elctrico. Como se recuerda, la potencia hidrulica es funcin del caudal y de la altura para los cuales son equipadas las mquinas de la central P = K.Q.h Las caractersticas de una central hidroelctrica son muy variables en funcin de las condiciones particulares de cada sitio aprovechable: hidrolgicas, topogrficas, geolgicas, etc. Puede afirmarse que cada aprovechamiento posee caractersticas propias que lo distinguen de los dems. De todos modos guardan ciertas similitudes desde el punto de vista constructivo, al menos en sus principales partes constitutivas. Por ejemplo, hay un nmero relativamente reducido de tipos de presas dentro del cual seguramente puede ubicarse la de cualquier aprovechamiento (presa de gravedad de materiales sueltos, presa en arco de hormign, etc.). Lo mismo ocurre con la central (a pie de presa, en caverna, etc.), con el tipo de conduccin del agua hasta la misma, los vertederos, etc. Pero el conjunto del aprovechamiento es el que define las peculiaridades mencionadas y que obliga a elegir determinadas soluciones25

particulares. Sin embargo, desde el punto de vista operativo pueden clasificarse en dos grandes grupos, aunque hay ciertos casos en los que existe una determinada superposicin de ambas caractersticas. Dichos grupos son: centrales de pasada o pelo de agua y centrales de embalse. Son centrales de pasada las que no poseen capacidad de embalse (almacenamiento de agua), o sta es muy pequea, con una duracin de llenado a lo sumo dos horas. Evidentemente lo que se hace en este tipo de centrales es turbinar prcticamente todo el caudal del ro casi continuamente, aprovechando de esta manera en forma directa la energa cintica de la corriente de agua. El hecho de haber poco embalse hace que no haya capacidad de regulacin (9), estando sujeta la produccin de energa a las variaciones de caudal anuales, estacionales, etc., segn la hidraulicidad del curso de agua; esto implica que la operacin de este tipo de centrales debe ser en la base del diagrama de cargas, aportando energa en forma continua. Comnmente se hallan en sitios ubicados sobre ros de hidrologa relativamente regular. Donde el salto aprovechable no permite gran embalse del agua, tambin son utilizados los canales de riego en aprovechamientos de menor escala o diques compensadores. En cuanto a las centrales con embalse, son las que tienen reservorios con capacidad tal que permita hacer una regulacin importante. En este tipo de aprovechamiento el embalse juega el papel de regulador de los caudales agua abajo del mismo, permitiendo utilizar el volumen contenido en el mismo turbinando el agua de acuerdo a las necesidades del despacho de cargas. Esto significa que estas centrales son aptas para cubrir las puntas o semipuntas del diagrama de cargas pudiendo obtenerse un importante aporte de potencia en un perodo de corta duracin. El mayor o menor grado de empuntamiento, que da la posibilidad de sobreequipar en potencia instalada para utilizar el agua almacenada en el momento del pico as como de las caractersticas de la demanda, que es la que va a definir la necesidad y la conveniencia econmica de dicho sobreequipamiento. Segn el perodo de llenado, los embalses pueden ser de regulacin estacional, mensual, semanal o diaria, debiendo utilizarse cada uno de manera ms conveniente para cubrir las distintas variaciones de la demanda. La duracin de llenado se define como: capacidad til del embalse tiempo de llenado = ---------------------caudal medio anual = m3 m3/seg

Cada curso de agua tendr sus caractersticas propias y para ello comenzaremos con una curva altura-caudal en la cual representaremos la altura (metros) funcin del caudal de descarga (m3/seg.), tal como se ilustra en la Figura 3.6.

(9)

"Para abastecer a una demanda que flucta con la variacin de cierto nmero de variables, todo sistema de abastecimiento que capta a ese efecto determinada disponibilidad tambin variable, debe ser independiente de estas variaciones, es decir, debe ser autnomo con respecto a ellas. Esta condicin de autonoma se traduce en la constancia o sea la propiedad de mantener constantes con respecto al transcurso del tiempo, ciertos parmetros de reserva o almacenamiento, que permiten adaptar o modificar las variaciones de la disponibilidad transformndolas en variaciones de la demanda" (30). En consecuencia, no debe confundirse la capacidad del embalse con su regulacin ya que puede haber un gran embalse (como es el caso de Salto Grande, u otros proyectados sobre el Ro Uruguay, con muy baja regulacin). 26

Figura 3.6. Curva altura-caudal

Las curvas de este tipo pueden ser construidas a partir de la informacin hidrolgica proveniente de hidrogramas, tal como lo ilustra la Figura 3.7. Figura 3.7. Hidrograma

Mediante un estudio probabilstico de estos valores, a lo largo de un perodo suficientemente largo, se podr confeccionar una curva de frecuencias simples y otra de frecuencias acumuladas que nos darn, para cada posibilidad de aprovechamiento hidroelctrico, el valor de la descarga en funcin del tiempo. En la Figura 3.8. se ilustra una curva de duracin anual que ser de utilidad para la determinacin de la energa "producible" por el embalse a construirse en funcin de estas caractersticas del ro.

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Figura 3.8. Curva de frecuencias simples y acumuladas para un ao

Una vez adoptada una altura "h" y un caudal "Q", se podrn obtener energas variables a lo largo del ao, en funcin del rgimen de descarga, tal como se ven en la Figura 3.9. En cuanto a las alturas de embalse, ellas variarn dentro de ciertos lmites tcnicos ya que afectarn el funcionamiento de las turbinas as como sus rendimientos. En la Figura 3.10. se ilustra una variacin de altura a lo largo del ao, para caractersticas de produccin de energa similares a la Figura.

Figura 3.9. Rgimen de descarga anual

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Figura 3.10. Rgimen de variacin de alturas

Cuando existen regmenes hidrolgicos complementarios, el anlisis de la hidraulicidad conjunta permite determinar la producibilidad de los distintos lugares. En la Figura 3.11. se ilustran regmenes hidrolgicos de las principales cuencas centroamericanas estudiados con miras a una interconexin de los sistemas elctricos nacionales. Figura 3.11. Rgimen hidrolgico de las principales cuencas centroamericanas

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Reproducido del Boletn IIE, Mxico, Julio-Agosto.

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3.2.1. Potencia garantida El caudal medio anual es el que define la energa media anual disponible en un aprovechamiento. Interesa conocer tambin cul es la energa disponible como mnimo en un ao de baja hidraulicidad, que va a definir los valores garantidos de potencia y energa con una muy baja probabilidad de que los valores obtenibles estn por debajo de los mismos. Esta energa mnima garantida se denomina energa anual de ao seco y en base a ella puede definirse la potencia garantida durante "h" horas como: Energa anual de ao seco (p 90%) Pgar = -----------------------------------------------------t La definicin del perodo crtico depender de cada sistema en particular. Supuesto un perodo anual, si tenemos una curva integral de energa del tipo indicado en la Figura 3.12. y una central hidrulica como ilustra a la derecha de la misma figura, podemos buscar la ubicacin en el diagrama para ao seco (10) (por ejemplo 90% de probabilidad de ocurrencia), ello ocurrir de manera tal que la potencia ubicable en el diagrama ser: Pgar < Pinst Figura 3.12. (11) Ubicacin de una central hidrulica en una curva integral

Se observa que tal potencia depender no slo de las caractersticas de diseo de la central hidrulica (Pinst) sino tambin de la curva de demanda, caracterizada aqu por la integral de(10) Se ha supuesto que, para el ao seco, se satisface toda la demanda. En ciertas oportunidades, cuando hay situaciones extremas en baja hidraulicidad, deberan considerarse curvas modificadas en potencia y energa si la poltica fuera la de restringir demandas. Por razones prcticas, conviene dibujar esta curva en forma relativa, de manera que los valores de "P" sean una fraccin (por ciento o por uno) de la potencia mxima anual y la energa una fraccin de la energa total anual. As, para distintos aos, las curvas porcentuales tendrn iguales valores de "Pmx" y "Eanual". 31

(11)

energa. A su vez, esta curva integral se modificar ao tras ao, afinndose la zona de pico. Ello implicar una diferente ubicacin de la misma central para cada ao, trasladndose hacia la parte superior del diagrama. En consecuencia, la potencia garantida depende de las caractersticas del aprovechamiento que definen su potencia instalable y energa producible as como de la curva de la demanda sobre la cual se ubicar la central considerada. Resulta interesante considerar, que una misma central tendr diferente potencia garantida s, por ejemplo, el factor de carga fuera superior, por ejemplo, el que corresponde a un diagrama triangular como el de la Figura 3.13. Figura 3.13. Ubicacin de la misma central en una montona rectangular

Se observa que la potencia garantizada ser, en este caso, menor que la anterior, debido a las caractersticas de la demanda. En la Figura 3.13. se han ubicado arbitrariamente las situaciones correspondientes a los aos seco, medio y de abundancia. En todos los casos "Pinst" supera ampliamente a "Pgar", razn por la cual esta podr ser reducida con la consiguiente reduccin en el costo de equipamiento. Sin embargo, dado que la demanda de potencia y de energa crecen ao tras ao, tambin lo har la "Pgar", razn por la cual deben preverse desde el comienzo las obras civiles para que puedan instalarse los correspondientes turbogeneradores a medida que la demanda los requiera. Por supuesto, todo este razonamiento se basa en que, sobre la curva de demanda, la energa es colocada libremente, si en el mismo lugar hubiera ya otra central, se producir una superposicin y la central deber ubicarse de manera tal que se produzca el mximo aprovechamiento de la energa producible quedando las potencias garantida e instalada restringidas durante ese ao. En la Figura 3.14. se ilustra el caso en que existiera ya una central (OAB) de manera que la energa correspondiente al ao medio de la central a instalar (02) se ubique a continuacin de la anterior ya que, en caso de colocarla como en la Figura 3.15. habra una superposicin. Se32

observa que por desplazarse hacia la base, la nueva central tendr menor "Pinst". El concepto de "Pgar" es sumamente til ya que, cuando se realizan comparaciones entre centrales trmicas e hidrulicas, debe ser la potencia garantida hidrulica quien se comparar con la potencia instalada trmica para tener una equivalencia trmica.

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Figura 3.14 Ubicacin de la central cuando hay otra existente

Por ltimo, haremos una breve descripcin de las centrales hidrulicas de acumulacin por bombeo. Como se sabe, una central de bombeo tiene dos reservorios, uno superior y otro inferior, con una determinada diferencia de alturas entre ambos. Las mquinas pueden funcionar como generadores, produciendo energa elctrica como en una central convencional, o como motores, transformndose entonces las turbinas en bombas que elevan el agua del reservorio inferior al superior. Es decir que este tipo de plantas brinda la posibilidad de acumular energa en los momentos en que hay abundancia de ella y utilizarla en los momentos de mayor necesidad. Traduciendo esto en trminos de diagrama de carga, significa que es posible utilizar la energa disponible en los perodos de "valle", funcionando la central en el sentido de bombeo, almacenndola como energa potencial en el reservorio superior, para su posterior utilizacin en las horas de pico. Figura 3.15. Ubicacin de centrales de acumulacin por bombeo

34

Es decir que se consume la energa correspondiente al rea 1 de la Figura 3.15. y se produce la correspondiente al rea indicada con 2. Este permite una mejor utilizacin del equipamiento de base, como las centrales nucleares y las hidrulicas de pelo de agua, aportando luego energa de punta, ya que el efecto logrado no es otra cosa que un traslado de energa y potencia del pico al valle del diagrama de cargas. Como puede verse en la figura, se obtiene mediante este tipo de central un mejoramiento del factor de carga, aplanndose la curva, y haciendo funcionar mejor a las mquinas trmicas de base. No obstante, la conveniencia econmica de este tipo de central depender del tipo de diagrama de cargas y de los costos de bombeo que son, a su vez funcin del costo de explotacin de las centrales que producirn la energa para tal fin. Solo un anlisis detallado de la operacin asegurar datos precisos para la evaluacin a los que habr que agregar la mejora de condiciones operativas del sistema por agregarse reserva "caliente" como lo es la de este tipo de central. Los rendimientos de este tipo de central (bomba-turbina y motor-generador) llegan a ser, en instalaciones modernas, del orden de 0,75 aunque depender cada caso. En la prctica, pueden encontrarse instalaciones de bombeo puro o mixtas, en las cuales se combinan la generacin hidrulica, proveniente del aporte natural del ro, con la generacin del flujo de agua bombeada del reservorio inferior al superior. 3.2.2. Costos En cuanto a los costos unitarios de instalacin de los equipamientos hidroelctricos, los mismos varan en un rango muy amplio segn las caractersticas particulares de cada aprovechamiento. Puede afirmarse, sin embargo, que en general dichos costos son superiores a los de la trmica convencional de vapor. Pero, por otro lado, los costos operativos son mucho menores ya que no hay consumo de combustibles y los gastos de operacin y mantenimiento son bajos (la operacin y el mantenimiento son ms simples, se requiere menos personal). Adems, y al margen de estas consideraciones de costos, es necesario tener en cuenta que la generacin de electricidad por medios hidrulicos permite la utilizacin de un recurso renovable, desplazando produccin trmica en base a combustibles fsiles, que son recursos no renovables y en muchos casos debe importarse, contribuyendo a la utilizacin ms racional de los recursos energticos de un pas. Es importante sealar que existen aprovechamientos hidrulicos de propsitos mltiples, en general riego, control de crecientes y produccin de electricidad. En estos casos los costos del aprovechamiento no pueden cargarse totalmente a la produccin elctrica, debiendo efectuarse una adecuada apropiacin de costos a cada uno de los objetivos del proyecto. Los costos de las centrales hidrulicas son diferentes para cada aprovechamiento y difcilmente comparables entre s. Dependern del volumen de las excavaciones y de las obras civiles, del salto y el caudal (que definen el tipo de equipamiento), de los costos de expropiaciones, de las obras complementarias, etc. A ttulo ilustrativo se han reproducido de (35) las figuras 3.16. y 3.17. donde puede verse la fuerte influencia de la escala sobre los costos de la energa hidroelctrica generada. La Figura 3.16. se basa en un conjunto muy dispar de datos correspondientes a pases o grupos de stos y capacidades promedio de plantas instaladas.

35

Figura N 3.16 Costos Unitarios en funcin del tamao de la Planta

Estos valores corresponden a tecnologas acordes con los requerimientos de los grandes sistemas elctricos y se excluyen, en consecuencia, aquellos que corresponden a generacin en pequea escala, donde tecnologas de menos sofisticacin tendrn costos mucho ms bajos. La Figura 3.17. muestra costos de generacin de la energa hidroelctrica en los EUA, para datos correspondientes a plantas individuales. La lnea de trazos corresponde a una regresin obtenida sobre datos de varias plantas y no son estrictamente comparables con aquellos de la Figura 3.16. debido a que no incluyen costos de transmisin mientras que los de la primera son los costos totales hasta llegar a los consumidores por medio de la distribucin (12). Figura 3.17. Costos unitarios en funcin del tamao de la planta

Se observa que las grandes economas de escala se producen en los primeros tramos de las dos curvas mientras que, para potencias que superan el orden de 50-100 MW, las economas de escala son relativamente pequeas.

(12)

Se usaron 60 datos para estimar la lnea de segmentos de la Figura 3.16.; con tamaos de plantas desde 10 MW hasta 5000 MW (Fuente: D.O.E., Hydroelectric Plant Construction Cost and Annual Production Data Expenses; Washington D.C.; U.S. Government Print. Off.). 36

Resulta tambin importante considerar los costos en funcin de los saltos para diversas potencias instaladas, supuesta la utilizacin de la turbina menos costosa, como se ilustra en la Figura 3.18. Se trata de instalaciones de relativamente baja potencia; la superposicin de lneas significa que es necesario usar la turbina ms costosa para cadas ms grandes (13). Figura 3.18 Costo versus Salto (14)

A ttulo ilustrativo, se incluyen las Figuras 3.19. y 3.20. (15). La Figura 3.19. da una idea de la variacin del costo directo de turbinas Francis y Kaplan en funcin de la relacin HP/RPM (potencia de la turbina con la abertura total y mxima cada / velocidad sincrnica) los valores de costo de la unidad se expresan en forma relativa. Figura 3.19 Costos unitarios de turbinas Francis y Kaplan

La Figura 3.20. da, en forma relativa, el costo directo del generador en funcin de la relacin(13) (14) (15) Se evaluaron tres tipos de pequeas centrales, correspondientes a represas existentes o a pie de presa. Dos de estos tres tipos tienen los costos sealados y el tercero un 7% menor. Fuente: EPRI Journal, tomado de (31). Se basan en el manual de Costos de Construccin de Aprovechamientos Hidroelctricos, AyE - Eletrobras, estudio del Aprovechamiento del Tramo Limtrofe del Ro Uruguay entre Argentina y Brasil. 37

KVA/RPM (potencia nominal del generador/velocidad sincrnica). Figura 3.20. Costos unitarios de generadores

3.3.

Definiciones relativas al equipamiento

3.3.1. Factor de capacidad Para una unidad de produccin (central, grupo generador de una central) el factor de capacidad "FC" es la relacin entre la energa efectivamente producida en el curso del ao y la energa que se hubiese producido si tal unidad hubiera funcionado sin parar a su potencia continua neta (16). Tiempo equivalente de funcionamiento Las horas anuales equivalentes a plena potencia, son tambin llamadas "duracin de utilizacin anual de la potencia continua neta". La energa efectivamente producida por un equipo depende de varios elementos y, en primera aproximacin, el factor de capacidad "FC" puede ser considerado como el producto de dos coeficientes "Kd" y "ku". FC = kd x ku Todos estos coeficientes correspondientes a un ao. Existen dos tipos de factores: a) las indisponibilidades debidas al equipo de produccin propiamente dicho: la disponibilidad anual de la central o mquina se expresa por el coeficiente "kd", correspondiente a la relacin entre la energa en los bornes del generador, y la energa mxima que sera producida si tal unidad funcionara sin detenerse a su potencia contnua neta.Potencia mxima que entrega el equipo a la red (deducindole la potencia demandada por los equipos auxiliares). Otros especifican la capacidad de invierno o verano y adoptan la menor (4). 38

(16)

b)

los factores externos al equipo de generacin tales como: estructura de la demanda; operacin del parque de generacin; dificultades de aprovisionamiento de combustibles o repuestos; restricciones de la red de transporte y distribucin. El coeficiente "ku" expresa estas no utilizaciones del equipo y es el coeficiente de utilizacin de la potencia disponible. "ku" es la relacin entre la energa efectivamente producida y la energa disponible.

Lo dicho trata de separar causas que crean confusin. Cada pas o cada sistema elctrico de un pas puede tener valores de "ku" muy diferentes y propios de la naturaleza de los equipamientos (de base, semibase, punta, etc.). Para unidades que normalmente funcionan en la base, el coeficiente "ku" es cercano a la unidad y en esas condiciones, el factor de capacidad "ke" representa una buena aproximacin de "kd" (coeficiente de disponibilidad del material). Coeficiente de disponibilidad para perodos diferentes que el anual Resulta necesario considerar coeficientes de disponibilidad del tipo "kd" con una definicin anloga -relacin de la energa disponible con respecto a la energa mxima que producira la central funcionando a plena potencia de forma continua- pero refirindose a perodos de duracin menor que un ao. En realidad, las indisponibilidades propias de un equipo de produccin son de dos tipos (17): "averas", son fortuitas y el hombre no puede actuar sobre ellas, salvo la correccin a posteriori. "programables" (reparaciones, mantenimiento, descarga de combustibles nucleares) es decir que el productor de electricidad establece los programas de paradas en funcin de sus reglas de gestin y de los "cuellos de botella" del sistema de produccin consumo.

El coeficiente total de disponibilidad "kd" relativo a un perodo determinado depende de tal perodo, ms corto que el anual, sobre el cual el hombre se podr abstener de toda parada programada, el coeficiente total no depender ms que de las "averas" y ser, por lo tanto ms elevado. Por ejemplo, un coeficiente de indisponibilidad de invierno se justificar en ciertos sistemas, tal como se ver al considerar el "perodo crtico". Consideraciones sobre estos conceptos 1) el factor de capacidad es una relacin de tipo global anual (ratio). Tales relaciones son corrientes y tiles en el lenguaje de los negocios pero su carcter de "agregado" prohbe afectarlas de una significacin que ellas no pueden tener (18). 2)(17) (18)

el factor de capacidad no es ms que la representacin esquemtica de elementos muyEstas indisponibilidades provocan tanto la parada como la marcha a potencia reducida. "As, por ejemplo, un automvil de turismo alemn e italiano, rueda "en promedio" 16.000 km por ao mientras que un automvil francs no recorre ms que 13.000 km. Estas son cifras interesantes pero debe tenerse en cuenta el cuidado en deducir de ellas que los mecanismos franceses son ms incompetentes que los de sus vecinos" (op. cit.). 39

complejos: es diferente segn que corresponda a unidades de la misma edad y de las mismas caractersticas tcnicas o a un "parque" compuesto de unidades muy variadas. 3) Es este factor que generalmente se publica en la documentacin internacional de gran difusin. No obstante, los tcnicos disponen, en diversos pases, de nociones mucho ms precisas. A pesar de la complejidad de los conceptos, hay una entera compatibilidad entre un factor de capacidad (anual) de 50% para un parque de centrales relativamente "jvenes" funcionando en la base y un coeficiente de disponibilidad de invierno de 85 a 90% que se obtiene normalmente de una mquina en edad adulta fuera de los perodos de mantenimiento. Es facil predecir la amplitud de las confusiones posibles.

4)

Factores que influyen sobre la indisponibilidad de centrales Tomando datos de los Estados Unidos basndose en informacin de EPRI y NERC (19), se registro durante la temporada de pico de ese ao no menos de un 17% de indisponibilidad total del equipamiento. Las indisponibilidades fueron (20):Indisponibilidades forzosas Fallas y salidas parciales Mantenimiento preventivo (en pico y fuera de l) Total 7% 5% 5% ------17%

En la Figura 3.21. se puede observar la evolucin de tales indisponibilidades a lo largo del ao. Figura 3.21. En el pico la indisponibilidad (en potencia) fue de 17%

En la Figura 3.22. se pueden observar las indisponibilidades forzosas, programadas y totales correspondientes a 60 unidades trmicas convencionales de 200 a 400 MW, pertenecientes a diversos pases europeos (21) as como sus valores medios anuales.

Figura 3.22.

(19) (20) (21)

Electric Power Research Institute y National Electric Reliability Council. Tomado sobre la "capacidad disponible demostrable". Alemania, Blgica, Pases Bajos e Italia. 40

En cuanto a las causas que provocan las fallas forzosas, lgicamente dependern del tipo de equipamiento, de su antigedad, etc. A ttulo de ejemplo se pueden ver valores correspondientes a EE.UU.

Unidades trmicas de vapor (1057 unidades)INDISP. FORZADA/ INDISP. TOTAL (%) 4,1 1,4 0,1 0,5 0,5 6,4 DISPONIBILIDAD OPERATIVA (%) 88,4 92,7 97,1 95,9 97,3 93,7 TIEMPO MEDIO ENTRE INDISPONIBILIDADES FORZADAS (Hs) 1429,87 8710,39 30106,13 25034,60 8858,10 999,73

CAUSA Caldera Turbina Condensador Generador Otros UNIDAD

41

Unidades nucleares (60 unidades)INDISP. FORZADA/ INDISP. TOTAL (%) 6,7 2,4 0,5 0,1 0,7 2,6 12,2 DISPONIBILIDAD OPERATIVA (%) 79,7 92,9 97,3 98,8 96,9 98,9 71,0 TIEMPO MEDIO ENTRE INDISPONIBILIDADES FORZADAS (Hs) 1699,93 4349,94 12972,14 145283,00 22237,95 4020,88 840,78

CAUSA Reactor Turbina Condensador Regulador Generadores Otros UNIDAD

Unidades con turbinas de gas (629 unidades)INDISP. FORZADA/ INDISP. TOTAL (%) 33,5 5,9 4,3 38,1 DISPONIBILIDAD OPERATIVA (%) 88,4 98,9 99,0 86,1 TIEMPO MEDIO ENTRE INDISPONIBILIDADES FORZADAS (Hs) 961,30 18495,27 9505,70 831,62

CAUSA

Turbina de gas Generador Otros UNIDAD

Unidades con motores diesel (231 unidades)INDISP. FORZADA/ INDISP. TOTAL (%) 29,4 3,4 1,8 32,0 DISPONIBILIDAD OPERATIVA (%) 95,1 99,6 99,7 94,4 TIEMPO MEDIO ENTRE INDISPONIBILIDADES FORZADAS (Hs) 1111,59 41657,98 33390,80 1048,95

CAUSA Turbina de gas Generador Otros UNIDAD

42

4. TRANSMISION DE ENERGIA ELECTRICA 4.1. Introduccin

El transporte de energa elctrica cumple con la misin de colocar la misma en los lugares de consumo, partiendo de la base que, en general, en los grandes sistemas, la energa no puede ser producida donde se consume. Sea la generacin hidrulica, normalmente muy alejada de los centros de consumo, o bien trmica convencional o nuclear, la energa generada debe llevarse a travs de distancias a veces muy grandes y a veces con cargas no muy elevadas, lo cual configura un problema caracterstico de los pases en vas de desarrollo. Es por ello, que los costos de transporte, de la energa elctrica, de los ms altos en cuanto a transmisin entre distintas formas de energa, lo son an ms en tales pases y la eleccin de los sistemas apropiados con sumo cuidado. 4.2. Funciones de las lneas de transmisin

Deben distinguirse distintos tipos de funciones a cumplir por el equipamiento de transmisin, los cuales podran resumirse as: Transporte: La energa no se puede producir en el lugar de consumo, por lo tanto deben existir lneas de transporte desde las Centrales hidrulicas, trmicas clsicas o nucleares, etc. hacia los centros de consumo. Interconexin: Funcin asegurada por una lnea o red que une entre s a diferentes centros de produccin y consumo de manera tal que se pueda asegurar el abastecimiento de la demanda con uso ms econmico posible de los medios de produccin. Al mismo tiempo debe reducirse el riesgo de falla del sistema por medio del apoyo mutuo entre zonas en funcin de una compensacin de reas. Reparticin: Funcin destinada a encaminar y repartir la energa proveniente de la red de transporte hacia las redes de distribucin.

-

-

El problema de la planificacin de las lneas de alta y muy alta tensin es muy complejo, pudiendo citarse las siguientes razones principales: a) b) c) El nmero de elementos del equipamiento es muy grande (lneas, transformadores, etc.). La evolucin de las redes debe ser estudiada sobre un perodo muy largo (la vida til de stas de 30 a 40 aos). Incertidumbre de todo tipo afectan el futuro: aleas sobre la previsin de demanda, su reparticin geogrfica, el costo de los materiales en el futuro, los cambios tecnolgicos, etc. Dificultad de prever los problemas de explotacin con anticipacin.

d)

Simplificando, podemos decir que un sistema elemental de transmisin debe afrontar la demanda de una curva de cargas (Pc en la Figura 4.1.) originada en distintos puntos del sistema de distribucin para lo cual se utilizar un esquema del tipo:43

Figura 4.1. Curva ordenada de duracin de cargas y de prdidas

Figura 4.2. Sistema elemental de transmisin

Por medio de este sistema habr de transmitirse, a cierta tensin "U", la potencia "P" a una distancia "l". Dado que la lnea posee una determinada resistencia "r", se producirn prdidas por efecto Joule (22) debido a las cuales habr una diferencia entre la potencia de salida del generador "Pg" y la potencia en la carga "Pc". P = Pg - Pc Como es sabido, tales prdidas sern funcin de la resistencia del conductor y de la corriente a transmitir P = I2r siendo, a su vez, la resistencia funcin de la resistividad " ", de la longitud "L" y de la seccin del conductor "S". L r = ----S Es decir que habr un rendimiento de transmisin

(22)

Se dejan de lado otro tipo de prdidas. 44

Pc Pc = ---- = ---------Pg Pc + P

Las prdidas podrn representarse grficamente tal como puede verse en la Figura 4.1. tambin en forma de diagrama ordenada donde las ordenadas sern los valores cuadrticos de las correspondientes ordenadas de las cargas. El rea encerrada bajo la curva de prdidas, proporcional a las prdidas, ser: 8760 A= 0 Se puede buscar el tiempo que multiplicado por la mxima potencia (I2mx.R) da la misma superficie. A este valor se lo denomina tiempo equivalente "Te", el cual representa las prdidas anuales de transmisin. Su expresin ser: 8760 0 I2 dt Te = -------------I2 mx El ya mencionado valor de las prdidas de potencia, para una lnea trifsica ser: .L.I2 Pp = 3 ------ ----------------S 4.3. Eleccin de la seccin ptima I2dt

Suponiendo que los costos de inversin correspondientes a las lneas varen linealmente con la seccin del conductor y con la tensin, podemos expresar el costo kilomtrico de inversin bajo la forma: C'I = A + B.U + C.S siendo: A, B, C = coeficientes U = tensin de transporte S = seccin total de un conductor de fase el costo anual de prdida/km es 3 I2mx.Cpp Cp = --------------S

siendo: = S= Imx = Cpp =

resistividad de un conductor de la lnea, en mm2)/km seccin total de un conductor de fase (en mm2) corriente mxima (en A) costo anual de prdida en la punta

Si se supone que, a lo largo de la vida til "T" de la obra considerada, la potencia mxima que transporta la lnea cada ao es constante y tambin lo es el costo anual del kW de prdida en la punta, el costo de prdidas kilomtrico actualizando sobre la vida til de la obra es:45

3 Cp = ------ Imx . Cpp S llamando p = Cpp

T . t=1 1

1 ------(1+r)t

T . ------- . t t=1 (1+r)

el costo de prdidas actualizado ser 3 Cp = ------ I2mx P S El costo de inversin y prdidas ser: CTT = A + B.U + C.S + ----- I2mx. tal como puede verse en la Figura 4.3. Figura 4.3. Costos anuales de transmisin en funcin de la seccinp

igualando a cero la derivada de la expresin anterior se obtendr la seccin ptima de una lnea para el transporte de una potencia dada. S0 = Imx V 3 -----C p

3 CS = ------- I2 mx p S

46

De donde, la regla de Kelvin (23) "una lnea posee la seccin ptima cuando la parte de costo de la lnea proporcional a la seccin es igual al costo de prdidas, actualizado sobre la vida til de la obra". 4.4. Densidad ptima

La densidad de corriente ptima es: Imx opt = -------S reemplazando: C opt = -------3 p Como el nico elemento variable es el costo de prdidas " p": la densidad ptima vara con " p". Si la potencia y el diagrama de cargas varan ao a ao, la regla es vlida pero debern actualizarse las prdidas cada ao de manera que las densidades ptima