Características del consumo y la demanda de energía eléctrica en el sector residencial

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(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. TRABAJO DE DIPLOMA Título: Características del Consumo y la Demanda de Energía Eléctrica en el Sector Residencial.. Autor: Attius Rodríguez Peña [email protected] Tutores: M. Sc. Alberto Ramírez González [email protected] Dr. Leonardo Casas Fernández [email protected]. Santa Clara 2007 “Año 49 de la Revolución”.

(3) Hago constar que el presente trabajo fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas (UCLV) como parte de la culminación de los estudios de la carrera de Ingeniería eléctrica. Autorizo a que el mismo sea utilizado por la UCLV para los fines que se estimen convenientes, tanto de forma parcial como total y que además no pueda ser presentado en evento, ni publicado, sin la autorización expresa de la UCLV.. ________________ Firma del Autor. Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado con la aprobación de la Dirección de nuestro centro y que el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta naturaleza, referido a la temática señalada.. _______________________. ________________________. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Dpto.. ____________________ Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) Dedicatoria. 9 A mi madre y a mi padre que me quieren y me ayudaron mucho a lo largo de esta carrera. 9 A mi única hermana, la que más quiero en el mundo. 9 A mis compañeros del aula con los cuales compartí estos largos cinco años. 9 A mis dos abuelas y abuelo Orestes que siempre estuvieron a mi lado. 9 En general a todas mis amistades del barrio que de una forma u otra siempre confiaron en mí..

(5) Agradecimientos 9 Gracias al Ms.C. Alberto Ramírez Gónzalez, tutor de este trabajo, por su paciencia y su ayuda.. 9 Gracias al Dr. Leonardo Casas Fernández, consultante de este trabajo.. 9 Empresa Eléctrica de Villa Clara, a los trabajadores del Departamento Desarrollo, con la que hemos establecido excelentes vínculos que sobrepasan lo profesional.. 9 No solo el apoyo de carácter laboral permite alcanzar grandes frutos, se requiere a su vez de una guía promotora, gracias Luisa, Jorge (tatine) y Aixa.. Y Amigos que sin su compañía sería imposible andar por el mundo..

(6) Resumen En nuestro país el consumo de energía eléctrica del sector residencial tiene una gran importancia y actualidad debido a las medidas que se están llevando a cabo para mejorar el bienestar de las familias cubanas y el comportamiento de los indicadores económicos nacionales. En el trabajo se realiza una caracterización de carga de dicho sector, detallándose la metodología utilizada para la elaboración esta cuenta de mediciones, lecturas y trabajo computacional. Los resultados obtenidos resultan de gran interés, entre ellos se destaca la forma de la curva, la demanda por consumidor y el comportamiento del reactivo. Además de lo antes mencionado se tratan temas generales relacionados con la energía, las necesidades de su uso por la humanidad actual, los tipos de energía que se conocen así como la forma de convertirlos en electricidad. Se comenta brevemente la situación actual del país dentro del curso de la Revolución Energética, mencionándose tres de los principales frentes en los que se está trabajando. La generación distribuida, la rehabilitación de redes y la introducción masiva de electrodomésticos. en. busca. de. la. eficiencia. energética.

(7) Índice. Pensamiento.............................................................................................................. i Dedicatoria ... .. .. . ................................................................................................... ii Agradecimientos...... .................................................................................................iii Resumen.…………………………………………………….……………….......... iv Introducción…………………………………………………………...................... 1 Capítulo 1 La energía..................…………………………………………………..3 Introducción...............................................................................................................3 1.1 Energía .........................................................................................................3 1.2 Fuentes convencionales de energía así como su problema. ……………….5 1.3 Fuentes de energía ..........................................................................................5 1.4 Tipos de energía ..........................................................................................7 1.5.1 Energía hidraúlica ......................................................................................7 1.5.2 Energía de la biomasa ................................................................................8 1.5.3 Energía a partir del hidrógeno ....................................................................9 1.5.4 Energía solar .............................................................................................11 1.5.5 Energía nuclear .........................................................................................11 1.5.6 Energía eólica ..........................................................................................12 1.5.7 Energía geotérmica ....................................................................................13 1.6 Diferentes formas de generación de electricidad ..........................................13 1.6.1 Central hidroeléctrica ................................................................................14 1.6.2 Central Nuclear .........................................................................................15 1.6.3 Ciclo combinado ......................................................................................16 1.6.4 Central térmica solar ...............................................................................17 1.6.5 Central termoeléctrica ..............................................................................18 1.7 Red de transporte de energía eléctrica..... ........................................................18 1.8 Red de distribución de energía eléctrica...........................................................19 1.9 Consumo...........................................................................................................20 Capítulo 2 Situación en Cuba ...............................................................................21 2.1 Generalidades .................................................................................................21 2.2 Generación distribuida ...................................................................................22 2.3 Rehabilitación de redes .................................................................................24 2.4 Sustitución de equipos electrodomésticos ineficientes ...................................26 2.5 Consumo del sector residencial .....................................................................27 Capítulo 3 Determinación de las curvas de carga… ................................................30 3.1 Generalidades...................................................................................................30 3.2 Diseño de experimento.....................................................................................31 3.3 Método estadístico de selección.. ....................................................................31 3.3.1 Cálculo de la muestra................................................................................32 3.3.2 Concepto de muestreo ...........................................................................33 3.4 Selección de los circuitos ..............................................................................34 3.5 Selección de los bancos de transformadores ..................................................35.

(8) 3.6 Epocas y plazos de medición ......................................................................36 3.7 Equipos de medición .....................................................................................36 3.8 Elaboración de los métodos de registros de datos ..........................................39 3.9 Representación de curvas .............................................................................40 3.9.1 Promedio de la potencia activa .................................................................40 3.9.2 Comportamiento de días laborables y no laborable...................................41 3.9.3 Comparación de las curvas y validación de los resultados........................43 3.10 Comportamiento del factor de potencia….......................................................44 3.11 Demanda por consumidor…... .........................................................................45 Conclusiones ...........................................................................................................49 Recomendaciones …................................................................................................50 Bibliografía ..............................................................................................................51 Anexos ….................................................................................................................54.

(9) Introducción Desde el surgimiento de las primeras civilizaciones, la energía ha jugado un papel protagónico en todo momento para el desarrollo de la sociedad y para la subsistencia misma del hombre. Cómo obtener la energía, siempre ha sido motivo de preocupación en todas las épocas, ya que de ella dependen todas las actividades que se han realizado diariamente. La sociedad moderna sería incapaz de sobrevivir si le faltara el suministro energético actual. El consumo de energía eléctrica es una característica relevante de nuestros días. Representa un elemento fundamental para la producción en prácticamente todos los sectores de la economía actual entre los que se encuentran el industrial, el comercial y el residencial o doméstico. La demanda de electricidad ha aumentado continuamente a lo largo de las últimas décadas y su influencia en el nivel de vida de las sociedades está asociada a una mayor demanda de energía eléctrica en el sector residencial por constituir uno de los destinos más importantes de la energía eléctrica generada por los Sistemas Eléctricos. Las empresas suministradoras tienen como objetivo fundamental satisfacer las necesidades energéticas de sus clientes tan económicamente como sea posible, con un nivel aceptable de calidad, fiabilidad y seguridad. La generación de electricidad debe satisfacer la demanda instantánea de los usuarios, ya que no es posible almacenar la energía en cantidades considerables. Para estimar la demanda eléctrica existen diversos métodos con los que se suelen realizar los estudios a largo plazo. Sin embargo, para determinar el comportamiento horario es prácticamente obligatorio analizar mediciones en instalaciones ya existentes analizando, además, la composición de los receptores asociados. Los gráficos de carga del sector residencial se caracterizan por una elevada demanda en las primeras horas de la noche cuando la mayor parte de la familia regresa al hogar y se intensifica el uso de los equipos electrodomésticos. En los sistemas eléctricos donde el resto de las cargas tienen un peso reducido, los gráficos totales tienen formas horarias muy similares a los del sector residencial, sobre todo en el horario pico.. 1.

(10) La sustitución de los diversos tipos de combustibles domésticos por la energía eléctrica ha provocado un una trasformación significativa en los gráficos de carga de este sector y por ende en todo el sistema, por lo que se requiere evaluar su impacto y características con el fin de realizar estudios más precisos y confiables. Los estudios realizados con anterioridad se han basado fundamentalmente en valores medios tomados de transformadores típicos, con los que se han instrumentado gráficos que se clasifican de acuerdo a los lugares de ubicación dentro de las áreas estudiadas (centro de las ciudades, periferias, zonas rurales, etc.). Esta forma de simplificar el problema ha dado resultados aceptables, si se tiene en cuenta que estudios de más rigor requieren mayor número de muestras. La tendencia a la uniformidad del equipamiento doméstico de alto consumo ha tendido a establecer gráficos prácticamente semejantes en la mayor parte de los sectores de la población. Los resultados obtenidos de diferentes muestras indican que la probabilidad supuesta de la coincidencia de los gráficos, sobre todo en el horario de mayor demanda, son lo suficientemente confiables como para aceptarlos con pocas reservas. Es por ello que para determinar el impacto sobre la demanda y el consumo eléctrico se procedió a la realización de este trabajo, entre cuyos objetivos se destacan: − La obtención de las curvas características del sector residencial considerando los cambios en sus patrones de consumo. − Obtener la curva de demanda por consumidor además de determinar el valor de su valor promedio. − Evaluar el comportamiento del factor de potencia.. 2.

(11) Capítulo 1. La Energía.. 1.1 Introducción. De manera muy general en este capítulo se trata el tema de la energía, así como de las fuentes convecionales energéticas actuales, las cuales provienen principalmente de los combustibles fósiles, su consumo, sus aplicaciones e importancia en general como solución para ayudar en gran medida a satisfacer las demandas energéticas de nuestra sociedad. Por último y de forma breve, se habla de las diferentes formas de generación, transportación y distribución como conceptos en los cuales se mezclan nuevas tecnologías a partir de las energías renovables y no renovables con ideas viejas, para generar electricidad de una manera más eficiente y limpia, donde no es necesario el uso de enormes extensiones de terreno para la construcción de grandes centrales eléctricas.. 1.2 Energía. La energía es la fuerza vital de nuestra sociedad. De ella dependen la iluminación de interiores y exteriores, el calentamiento y refrigeración de nuestras casas, el transporte de personas y mercancías, la obtención de alimento y su preparación, el funcionamiento de las fábricas, etc. Hace poco más de un siglo las principales fuentes de energía eran la fuerza de los animales y la de los hombres y el calor obtenido al quemar la madera. El ingenio humano también había desarrollado algunas máquinas con las que aprovechaba la fuerza hidráulica para moler los cereales o preparar el hierro en las ferrerías, o la fuerza del viento en los barcos de vela o los molinos de viento. Pero la gran revolución vino con la máquina de vapor, y desde entonces, el gran desarrollo de la industria y la tecnología han cambiado, drásticamente, las fuentes de energía que mueven la moderna sociedad. Ahora, el desarrollo de un país está ligado a un creciente consumo de energía de combustibles fósiles como el petróleo, carbón y gas natural. 3.

(12) La energía sin temor a equivocarnos es la fuerza vital de nuestra sociedad. Para el hombre, la energía es uno de los principales factores para atender sus necesidades básicas y un indicador del grado de bienestar. Energía, es un concepto esencial en las ciencias que desde un punto de vista material se hace complejo de definir. La realidad del mundo físico demuestra que la energía, siendo única, puede presentarse bajo diversas formas las cuales son capaces de transformarse unas a otras. Entre las formas de energía más comunes y conocidas por nosotros se encuentran las siguientes: energía mecánica, relacionada con los cuerpos en movimiento; energía electromagnética, relacionada con los campos eléctricos y magnéticos originados por la presencia de cargas eléctricas estáticas y en movimiento; energía térmica, relacionada con la energía interna de los cuerpos, la cual se manifiesta externamente en forma de calor, al circular entre dos cuerpos cualesquiera producto de diferencias de temperatura existente entre ambos; energía química, es la energía que poseen los compuestos, esta se pone de manifiesto en el proceso de conversión generado por una reacción química; energía metabólica, relacionada con los procesos químicos de oxidación que ocurren en los organismos vivos producto de los alimentos que estos ingieren. [10] En los inicios el hombre hizo uso del fuego mediante la quema de la madera y también se benefició de la tracción producida por la fuerza de los animales, principales fuentes energéticas conocidas por él hasta el momento. Otro de los ingenios creados por el hombre con el fin de obtener energía, fueron primitivas máquinas como los molinos de viento y la rueda hidráulica que fueron ampliamente utilizadas por el hombre para moler cereales y granos, en las cuales se aprovechaba la energía del viento y el agua. Desde entonces el gran desarrollo de la industria y la tecnología han cambiado drásticamente las fuentes de energía que mueven la sociedad moderna. En nuestros tiempos, el desarrollo de cualquier país está ligado a un creciente consumo de energía, principalmente a partir de los combustibles fósiles.. 4.

(13) 1.3 Fuentes convencionales de energía así como su problema. Sin energía la sociedad sería incapaz de sobrevivir. De ella dependen la iluminación de interiores y exteriores, la preparación y conservación de alimentos y medicinas, el transporte de personas y mercancías, el funcionamiento de las fábricas y otros importantes aspectos de la vida, normales e imprescindibles para la sociedad moderna. Por un lado el carbón para alimentar las máquinas de vapor industriales y de tracción ferrocarril así como los hogares; por otro lado se encuentran el petróleo, el gas y sus derivados, los que encuentran su máxima demanda en la industria y el transporte, donde juega un papel fundamental el automóvil. [8] De ellos, como ya se dijo, depende la mayor parte de la industria y el transporte en la actualidad. Entre los tres suponen casi el 90% de la energía comercial empleada en el mundo. Se consideran como combustibles fósiles, al carbón, el petróleo y el gas natural. Estos combustibles están constituidos por restos de organismos que vivieron hace millones de años y son mezclas de compuestos orgánicos que se extraen del subsuelo con el fin de producir energía. [15] Estos combustibles han permitido un avance sin precedentes en la historia de la humanidad, pero son fuentes de energía que se denominan no renovables, lo que significa que estos combustibles, que han tardado en formarse miles de años, se consumen en pocos minutos. Esto trae como consecuencia que las reservas mundiales de los mismos, disminuyan a un ritmo creciente, además, estamos agotando un recurso del que se pueden obtener productos muy valiosos como son los plásticos, medicinas, etc. Sin embargo, la fuente principal de energía de la cual se beneficia el hombre, se obtiene a partir de los combustibles fósiles.. 5.

(14) 1.4 Fuentes de energía. La energía eléctrica apenas existe libre en la Naturaleza de manera aprovechable. El ejemplo más relevante y habitual de esta manifestación son las tormentas eléctricas. Dicha energía sin embargo es una de las más utilizadas, una vez aplicada a procesos y aparatos de la más diversa naturaleza, debido fundamentalmente a su limpieza y a la facilidad con la que se la genera, transporta y convierte en otras formas de energía. La generación de energía eléctrica se lleva a cabo mediante técnicas muy diferentes. Las que suministran las mayores cantidades y potencias de electricidad aprovechan un movimiento rotatorio para generar corriente continua en una dinamo o corriente alterna en un alternador. El movimiento rotatorio resulta a su vez de una fuente de energía mecánica directa, como puede ser la corriente de un salto de agua o la producida por el viento, o de un ciclo termodinámico. La generación de energía eléctrica es una actividad humana básica, ya que está directamente relacionada con los requerimientos actuales del hombre. Todas la formas de utilización de las fuentes de energía, tanto las habituales como las denominadas alternativas o no convencionales, agreden en mayor o menor medida el ambiente, siendo de todos modos la energía eléctrica una de las que causan menor impacto. El agua y el viento son fuentes de energía inagotable que brindan amplias posibilidades de aplicación práctica y además, el daño que causan al medioambiente es incomparablemente menor con el que producen los combustibles fósiles o nucleares. Fue de esta forma que en la actualidad se han retomado las ideas de nuestros antepasados y se ha comenzado una revisión al amparo de las nuevas tecnologías, de aplicaciones más eficientes a estas fuentes, lo que ha dado en llamarse como fuentes de energía renovables. Debido a lo antes expuesto una de las formas más comunes de clasificar las fuentes de energía es dividirlas en dos grandes grupos: fuentes de energía renovables y fuentes de energías no renovables o agotables. [15] Las fuentes de energía renovables son aquellas de las cuales la energía se obtiene a partir de recursos prácticamente inagotables para el hombre como son: el sol, el viento, las corrientes de ríos y mares, el calor proveniente del interior de la tierra, entre otras. Sin dudas, estas 6.

(15) fuentes están llamadas a ser la solución de las necesidades energéticas futuras de la humanidad, como se muestra en la figura 1.1 [22]. Figura 1.1 Necesidades futuras de energía (en TW.h). Las fuentes de energías no renovables o agotables, provienen de los combustibles fósiles y su tasa de utilización es muy superior al ritmo de formación. Como dato interesante se puede agregar que actualmente la humanidad, sobre todo una parte de ésta (el norte), devora los combustibles fósiles a un ritmo 100 000 veces más rápido que el de su velocidad de formación. Esta es la situación del petróleo, el gas natural y en menor medida la del carbón, aunque este último, con el tiempo, se verá en iguales condiciones. Como ya se señaló, la energía nuclear cae también dentro de esta clasificación. [11]. 7.

(16) 1.5 Tipos de energía. 1.5.1 Energía hidráulica. La humanidad ha venido usando la energía hidráulica desde hace siglos. El agua, y por consiguiente la energía hidráulica, es un recurso limitado, pero al ser renovable en ciclos, no se agota con el uso y puede acumularse. La energía hidráulica se manifiesta mediante la carga hidráulica, energía que tiene el fluido por unidad de peso y se mide en unidades de longitud (metros). La carga se presenta en tres formas: a elevación, energía potencial o de posición por unidad de peso; a presión, energía por unidad de peso debida a la presión; a velocidad, energía cinética debida a la velocidad, por unidad de peso. La carga total, o sea, la energía total por unidad de peso es la sumatoria de las tres formas de carga hidráulica. [8] En la actualidad, el hombre construye presas para almacenar agua en lugares altos. Esta agua al liberarla es utilizada para generar electricidad por medio de las turbinas eléctricas que se encuentran instaladas en las hidroeléctricas. En forma general, el agua que fluye y cae a través de las cortinas de las presas, saltos de agua, etc, se lleva por conductos para hacer girar las aspas de las turbinas, las que a su vez hacen girar los generadores. [8] Las turbinas hidráulicas son los motores que en forma general están sometidos a una variación más amplia en las condiciones de trabajo. Reciben cargas que pueden ser desde uno hasta prácticamente dos mil metros, desarrollando de esta forma potencias que van desde poco kW hasta potencias tan grandes como 500 MW en una sola unidad; ejemplo de esto es el caso de la central hidroeléctrica de Itaipú con turbinas de 715 MW por unidad. Son ejemplo de estos gigantes hidroeléctricos las estaciones de Grand Coulee en los Estados Unidos (6 500 MW), Krasnoyarsk en Siberia (6 000 MW), Guri en Venezuela (10 300 MW) e Itaipú en Paraguay-Brasil (12 600 MW). En la actualidad se construye la central de Tres Gargantas en China, la que promete ser la mayor de todas. [11]. 1.5.2 Energía de la biomasa. La energía del sol se utiliza por las plantas para sintetizar la materia orgánica mediante el proceso de fotosíntesis. Esta materia orgánica se incorpora y transforma por el reino. 8.

(17) animal, incluido el hombre, el cual además, la transforma por procedimientos artificiales en otros bienes de consumo. Todo este proceso da lugar a elementos utilizables directamente, pero también, a subproductos que tienen la posibilidad de encontrar aplicación en el campo energético (alcoholes). La biomasa es uno de estos elementos, conjuntamente con todos sus derivados. Por biomasa se entiende el conjunto de materia orgánica renovable de origen vegetal, animal o procedente de la transformación natural o artificial de la misma. La energía de la biomasa corresponde entonces a toda aquella energía que puede obtenerse de ella, bien sea a través de su quema directa o su procesamiento para conseguir otro tipo de combustible. Con la llegada de los combustibles fósiles, este recurso energético perdió importancia en el mundo industrial. El elevado costo de los combustibles fósiles y los avances tecnológicos, han posibilitado la aparición de sistemas de aprovechamiento energético de la biomasa cada vez más eficientes, fiables y limpios, causando que esta fuente de energía renovable se empiece a considerar por las industrias como una alternativa, total o parcial, a los combustibles fósiles. [20]. 1.5.3 Energía a partir del hidrógeno. El hidrógeno es el elemento más abundante en la naturaleza. Si bien en estado libre se encuentra en pequeñas proporciones (aproximadamente 0,2 %), combinado con otros elementos está ampliamente distribuido en la Tierra, donde el compuesto más abundante e importante de este es el agua. También se puede encontrar en todos los componentes de la materia viva, en muchos minerales y como una parte esencial de los hidrocarburos y una gran variedad de otras sustancias orgánicas. Su velocidad de inflamación es alta con amplios límites de inflamabilidad, lo cual le favorece como combustible para motores de combustión interna, turbinas de gas o motores a chorro. Además, es un combustible limpio que cuando se combustiona no produce emisiones contaminantes, excepto en algunas relaciones H2/aire donde la temperatura elevada de la llama produce concentraciones significativas de óxidos nitrosos en combustión. [6]. 9.

(18) Cuando el hidrógeno se obtiene de fuentes renovables, por conversión directa o indirecta, se le denomina hidrógeno solar. Figura 1.2.. Figura 1.2 Ciclo de hidrógeno solar. En general, el almacenamiento de energía en baterías es adecuado para valores relativamente pequeños. Para lograr sistemas energéticos autónomos descentralizados se necesita almacenar grandes cantidades de energía, siendo el hidrógeno el candidato favorito para esta tarea. El hidrógeno puede obtenerse de diferentes maneras: a partir de la energía térmica, eléctrica (electrolíticamente) y de manera directa (fotoquímicamente). Para la obtención de hidrógeno a partir del agua usando la energía solar térmica, se puede utilizar la descomposición directa y el proceso termoquímico. [6] La electricidad para la electrolisis puede obtenerse por diversas vías a partir de la energía solar. Con la conversión térmica, la energía eólica, la hidroenergía y otras fuentes renovables, puede producirse energía eléctrica. Para convertir esta energía en hidrógeno se necesitan los electrolizadores, equipos modulares cuya unidad es una celda electrolítica. El agua se puede descomponer fotoquímicamente la biofotólisis y la fotólisis. [6]. 10.

(19) 1.5.4 Energía solar. El Sol es la única fuente externa de energía que llega al planeta. Aunque a escala cósmica el Sol tiene vida limitada, a escala humana es inagotable; se espera que continúe enviándonos energía durante miles de millones de años más. Del Sol se derivan todas las fuentes de energía renovables: solar, hidráulica, biomasa, eólica, mareomotriz, GTO, etc. La energía solar es el resultado de reacciones nucleares de fusión. Esta radiación electromagnética llega a la tierra a través del espacio e interactúa con la atmósfera y la superficie terrestre. Es esta radiación la que se aprovecha para obtener energía. Existen dos formas de energía a partir de la radiación solar de las cuales el hombre se beneficia, estas son: la energía solar térmica y la energía solar fotovoltaica. [14, 29]. 1.5.4.1 Energía solar térmica. La energía solar térmica se refiere a la energía del Sol que se aplica con fines térmicos (calentamiento). La conversión de la energía solar en calor útil se logra por medio de dispositivos conocidos como colectores solares, los cuales pueden ser clasificados en dos grupos: lo de bajas temperaturas (colectores planos), los que alcanzan temperaturas entre 40 y 100 grados Celsius; y los altas temperaturas (colectores concentradores), con los que se obtienen hasta 500 y más grados Celsius de temperatura. [30]. 1.5.6. Energía nuclear.. Otra de las fuentes de energía no renovable que se estudian es el uranio que se usa en las centrales de energía nuclear. El uso de la energía nuclear tiene importantes repercusiones ambientales. Algunas positivas, por lo poco que contamina, pero algunos de los problemas que tiene son muy importantes. En la opinión pública causó una gran impresión el accidente de Chernobyl y la contaminación radiactiva que se dispersó por medio mundo y, como veremos con detalle, la industria nuclear produce residuos radiactivos muy peligrosos que duran miles de años, cuyo almacenamiento definitivo plantea muy graves problemas.. 11.

(20) 1.5.6 Energía eólica. La energía eólica es la que se obtiene por medio del viento, es decir mediante la utilización de la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire. La energía eólica ha sido aprovechada desde la antigüedad para mover los barcos impulsados por velas o hacer funcionar la maquinaria de molinos al mover sus aspas.. Figura 1.3 Parque eólico En la actualidad se utiliza, sobre todo, para mover aerogeneradores (Figura 1.3) En estos la energía eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador, que produce energía eléctrica. Para que su instalación resulte rentable, suelen agruparse en concentraciones denominadas parques eólicos. Si bien los parques eólicos son relativamente recientes, iniciando a popularizarse en las décadas de los 80 - 90, desde hace mucho tiempo la energía eólica se ha utilizado en otras aplicaciones, como: moler granos o bombear agua, basta recordar los ya famosos molinos de viento en las andanzas de Don Quijote. [2]. 12.

(21) 1.5.7 Energía geotérmica Se obtiene energía geotérmica por extracción del calor interno de la Tierra. En áreas de aguas termales muy calientes a poca profundidad, se perfora por fracturas naturales de las rocas basales o dentro de rocas sedimentarios. El agua caliente o el vapor pueden fluir naturalmente, por bombeo o por impulsos de flujos de agua y de vapor (flashing). El método a elegir depende del que en cada caso sea económicamente rentable. Los recursos de magma (rocas fundidas) ofrecen energía geotérmica de altísima temperatura, pero con la tecnología existente no se pueden aprovechar económicamente esas fuentes. En la mayoría de los casos la explotación debe hacerse con dos pozos (o un número par de pozos), de modo que por uno se obtiene el agua caliente y por otro se vuelve a reinyectar en el acuífero, tras haber enfriado el caudal obtenido. Las ventajas de este sistema son múltiples: •. Hay menos probabilidades de agotar el yacimiento térmico, puesto que el agua reinyectada contiene todavía una importante cantidad de energía térmica.. •. Tampoco se agota el agua del yacimiento, puesto que la cantidad total se mantiene.. • Las posibles sales o emisiones de gases disueltos en el agua no se manifiestan al circular en circuito cerrado por las conducciones, lo que evita contaminaciones.. 1.6 Diferentes formas de generación de electricidad La electricidad se genera a partir de otras fuentes de energía, principalmente en: centrales hidroeléctricas donde se usa la fuerza mecánica de agua o en centrales termoeléctricas donde se produce electricidad a partir del carbón, petróleo y otros combustibles. También puede generarse a partir de la Energía Eólica, Solar y Biomásica entre otras.. 13.

(22) En las centrales hidroeléctricas el agua de un río, se hace bajar por grandes tuberías y túneles donde adquiere gran velocidad. Al llegar abajo, el agua hace girar unas turbinas conectadas a un generador (igual que un dínamo de bicicleta) produciendo la electricidad.. 1.6.1 Central hidroeléctrica Las dos características principales de una central hidroeléctrica (figura 1.4), desde el punto de vista de su capacidad de generación de electricidad son: •. La potencia, que es función del desnivel existente entre el nivel medio del embalse y el nivel medio aguas abajo de la usina, y del caudal máximo turbinable, además de las características de la turbina y del generador. •. La energía garantizada, en un lapso de tiempo determinado, generalmente un año, que es función del volumen útil del embalse, y de la potencia instalada.. La potencia de una central puede variar desde unos pocos MW (megawatts), hasta 30 MW se consideran minicentrales, en Paraguay y Brasil. La Central hidroeléctrica mayor del mundo, hasta la fecha (2005), Itaipú, tiene una potencia instalada de 14.000 MW, sumando las 20 turbinas.. Figura 1.4 Central Hidroeléctrica.. 14.

(23) Tipos de centrales hidroeléctricas. Desde el punto de vista de su concepción arquitectónica, las centrales pueden ser clasificadas en: 9 Centrales al aire libre, al pie de la presa, o relativamente alejadas de esta, y conectadas por medio de una tubería en presión. 9 Centrales en caverna, generalmente conectadas al embalse por medio de túneles, tuberías en presión, o por la combinación de ambas.. Desde el punto de vista de cómo utilizan el agua para la generación, se pueden clasificar en: 9 Centrales a filo de agua. También denominadas centrales de agua fluyente o de pasada, utilizan parte del flujo de un río para generar energía eléctrica. Operan en forma continua porque no tienen capacidad para almacenar agua, no disponen de embalse. Turbinan el agua disponible en el momento, limitadamente a la capacidad instalada. En estos casos las turbinas pueden ser de eje vertical, cuando el río tiene una pendiente fuerte u horizontal cuando la pendiente del río es baja. 9 Centrales acopladas a uno o más embalses. Es el tipo más frecuente de central hidroeléctrica. Utilizan un embalse para reservar agua e ir graduando el agua que pasa por la turbina. Es posible generar energía durante todo el año si se dispone de reservas suficientes. Requieren una inversión mayor.. 1.6.2 Central Nuclear. Una central nuclear es una instalación industrial empleada para la generación de energía eléctrica a partir de energía nuclear, que se caracteriza por el empleo de materiales fisionables que mediante reacciones nucleares proporcionan calor. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica. Las centrales nucleares constan de uno o varios reactores, que son contenedores (llamados habitualmente vasijas) en cuyo interior se albergan varillas u otras configuraciones. 15.

(24) geométricas de minerales con algún elemento fisil (es decir, que puede fisionarse) o fértil (que puede convertirse en fisil por reacciones nucleares), usualmente uranio, y en algunos combustibles también plutonio, generado a partir de la activación del uranio. En el proceso de fisión radiactiva, se establece una reacción que es sostenida y moderada mediante el empleo de elementos auxiliares dependientes del tipo de tecnología empleada. Las instalaciones nucleares son construcciones muy complejas por la variedad de tecnologías industriales empleadas y por la elevada seguridad con la que se les dota. Las características de la reacción nuclear hacen que pueda resultar peligrosa si se pierde su control y prolifera por encima de una determinada temperatura a la que funden los materiales empleados en el reactor, así como si se producen escapes de radiación nociva por esa u otra causa. La energía nuclear se caracteriza por producir, además de una gran cantidad de energía eléctrica, residuos nucleares que hay que albergar en depósitos aislados y controlados durante largo tiempo. A cambio, no produce contaminación atmosférica de gases derivados de la combustión que producen el efecto invernadero, ni precisan el empleo de combustibles fósiles para su operación.. 1.6.3 Ciclo combinado. En la generación de energía se denomina ciclo combinado a la co-existencia de dos ciclos termodinámicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de agua y otro cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustión. En una central eléctrica el ciclo de gas genera energía eléctrica mediante una turbina de gas y el ciclo de vapor de agua lo hace mediante una o varias turbinas de vapor. El principio sobre el cual se basa es utilizar los gases de escape a alta temperatura de la turbina de gas para aportar calor a la caldera o generador de vapor de recuperación, la que alimenta a su vez de vapor a la turbina de vapor. La principal ventaja de utilizar el ciclo combinado es su alta eficiencia, ya que se obtienen rendimientos superiores al rendimiento de una central de ciclo único y mucho mayores que los de una de turbina de gas.. 16.

(25) Consiguiendo aumentar la temperatura de entrada de los gases en la turbina de gas, se obtienen rendimientos de la turbina de gas cercanos al 60%, exactamente 57.3% en las más modernas turbinas Siemens. Este rendimiento implica una temperatura de unos 1350ºC a la salida de los gases de la cámara de combustión. El límite actualmente es la resistencia a soportar esas temperaturas por parte de los materiales cerámicos empleados en el recubrimiento interno de las cámaras de combustión de esas turbinas. Las centrales de ciclo combinado son, como todas ellas, contaminantes para el medio ambiente y para los seres vivos, incluidas las personas, por los gases tóxicos que expulsan al ambiente. No obstante es la que menos contamina de todas las industrias de producción de electricidad por quema de combustible fósil. Básicamente las emisiones son de CO2. Las emisiones de NOX y SO2 son insignificantes, no contribuyendo por tanto a la formación de lluvia ácida. Dependiendo estos efluentes gaseosos del tipo de combustible que se queme en la turbina de gas.. 1.6.5 Central térmica solar. Una central térmica solar o central termosolar es una instalación industrial en la que, a partir del calentamiento de un fluido mediante radiación solar y su uso en un ciclo termodinámico convencional, se produce la potencia necesaria para mover un alternador para generación de energía eléctrica como en una central térmica clásica. Constructivamente, es necesario concentrar la radiación solar para que se puedan alcanzar temperaturas elevadas, de 300 º C hasta 1000 º C, y obtener así un rendimiento aceptable en el ciclo termodinámico, que no se podría obtener con temperaturas más bajas. La captación y concentración de los rayos solares se hacen por medio de espejos con orientación automática que apuntan a una torre central donde se calienta el fluido, o con mecanismos más pequeños de geometría parabólica. El conjunto de la superficie reflectante y su dispositivo de orientación se denomina heliostato. Los fluidos y ciclos termodinámicos escogidos en las configuraciones experimentales que se han ensayado, así como los motores que implican, son variados, y van desde el ciclo Rankine (centrales nucleares, térmicas de carbón) hasta el ciclo Brayton (centrales de gas. 17.

(26) natural) pasando por muchas otras variedades como el motor de Stirling, siendo las más utilizadas las que combinan la energía termosolar con el gas natural.. 1.6.6 Centrales Termoeléctricas Las centrales termoeléctricas (figura 1.5) producen electricidad mediante turbinas movidas por vapor a presión (como una olla a presión), el cual es producido al calentar agua empleando diversos combustibles como carbón, gas natural o licuado, petróleo e incluso leña o carbón vegetal. [1] Luego de generar la electricidad, ésta se transporta a través de extensos cables que la llevan hasta las estaciones de distribución y desde ahí, por tendido eléctrico, hasta los hogares, colegios, industrias y otros lugares de empleo.. Figura 1.5 Central Termoeléctrica. 1.7 Red de transporte de energía eléctrica. La red de transporte de energía eléctrica es la parte del sistema de suministro eléctrico constituida por los elementos necesarios para llevar hasta los puntos de consumo, y a través de grandes distancias, la energía generada en las centrales hidroeléctricas, térmicas, de ciclo combinado o nucleares. Para ello, los volúmenes de energía eléctrica producidos deben ser transformados, elevándose su nivel de tensión. Esto se hace considerando que para un determinado nivel de potencia a transmitir, al elevar el voltaje se reduce la corriente que circulará, reduciéndose. 18.

(27) las pérdidas por Efecto Joule. Con este fin se emplean subestaciones elevadoras en que dicha. transformación. se. efectúa. empleando. equipos. eléctricos. denominados. transformadores. De esta manera, una red de transmisión emplea usualmente voltajes del orden de 220 kV y superiores, denominados Alta Tensión, de 500 kV y en Itaipú 750 kV. Parte fundamental de la red de transporte de energía eléctrica son las líneas de transporte. Una línea de transporte de energía eléctrica o línea de alta tensión es básicamente el medio físico mediante el cual se realiza la transmisión de la energía eléctrica a grandes distancias. Está constituida tanto por el elemento conductor, usualmente cables de cobre o aluminio, como por sus elementos de soporte, las Torres de alta tensión. Al estar estas formadas por estructuras hechas de perfiles de acero, como medio de sustentación del conductor se emplean aisladores de disco y herrajes para soportarlos.. 1.8 Red de distribución de energía eléctrica. La red de distribución de la energía eléctrica es un escalón del sistema de suministro eléctrico que es responsabilidad de las compañías distribuidoras de electricidad. La distribución de la energía eléctrica desde las subestaciones de transformación de la red de transporte se realiza en dos etapas. La primera está constituida por la red de reparto que, partiendo de las subestaciones de transformación, reparte la energía, normalmente mediante anillos que rodean los grandes centros de consumo, hasta llegar a las estaciones transformadoras de distribución. Intercaladas en estos anillos están las estaciones transformadoras de distribución, encargadas de reducir la tensión desde el nivel de reparto al de distribución en media tensión. Las líneas que forman la red de distribución se operan de forma radial, sin que formen mallas, al contrario que las redes de transporte y de reparto. Cuando existe una avería un dispositivo de protección situado al principio de cada red lo detecta y abre el interruptor que alimenta esta red.. 19.

(28) La localización de averías se hace por el método de "prueba y error", dividiendo la red que tiene la avería en dos mitades y energizando una de ellas; a medida que se acota la zona con avería, se devuelve el suministro al resto de la red. Esto ocasiona que en el transcurso de localización se puede producir varias interrupciones a un mismo usuario de la red.. 1.9 Consumo. 1.9.1 Progreso y energía eléctrica. El consumo de electricidad y la vida moderna son prácticamente sinónimos en el mundo industrializado. Está presente en nuestras comunicaciones, el transporte, el abastecimiento de alimentos, y la mayor parte de los agrados y servicios de los hogares, oficinas y fábricas de nuestros días dependen de un suministro fiable de energía eléctrica. A medida que los países se industrializan se van consumiendo cantidades de energía cada vez mayores. El consumo mundial de energía se ha multiplicado por 25 desde el siglo pasado. El promedio del consumo de electricidad per cápita es alrededor de diez veces mayor en los países industrializados que en el mundo en desarrollo. Pero como en la actualidad las economías de muchas naciones en desarrollo se expanden rápidamente, para los próximos 15 años se prevé un crecimiento de más del 5% anual de la demanda de electricidad en el ``Sur''. Para satisfacer esta demanda se necesitará un aumento de la producción de electricidad.. 20.

(29) Capítulo 2. Situación en Cuba.. 2.1 Generalidades. Como resultado de la crisis asociada al Período Especial, el país enfrentó serias dificultades en actividades de carácter fundamental para la propia subsistencia entre las que sobresalieron las limitaciones para adquirir el petróleo necesario para la generación de energía eléctrica y los insumos necesarios para acometer los mantenimientos adecuados a las plantas termoeléctricas, lo que provocó una serie de interrupciones en el servicio eléctrico. en. prácticamente. todos. los. sectores. productivos. y. de. servicios. y. fundamentalmente en el de la población. El avanzado estado de deterioro de un gran número de plantas debido a la sobre explotación a que estuvieron sometidas y ante el hecho de que la construcción de nuevas plantas térmicas tomaría tiempos demasiado largos para revertir la situación, se decidió introducir la generación distribuida sobre la base de plantas diesel en una primera etapa y de fuel oil con posterioridad. Paralelo a esta decisión se procedió a la implementación de un ambicioso programa, basado en la eficiencia energética, cuya principal característica ha sido la sustitución de obsoletos. 21.

(30) equipos altos consumidores de energía eléctrica por otros de mayor eficiencia, con el objetivo de disminuir la demanda y el consumo. A partir del 8 de marzo del 2005 se introdujeron en la ciudad de Santa Clara alrededor de 76 000 ollas arroceras y de esta forma dio comienzo de forma abierta esta nueva etapa. Ninguna de estas dos decisiones hubiese tenido una repercusión verdadera si a la par de su ejecución no se acometía en las débiles redes del sistema, por así llamarlas, una remodelación total. En el desarrollo de este capítulo se tratarán brevemente las principales acciones de estos Tres programas pilares de la Revolución Energética.. 2.2 Generación distribuida. En el año 2006 la energía eléctrica dejada de servir en Cuba, por concepto de apagones, se redujo en un 90% en comparación con el 2005, aunque la economía siguió su ritmo de crecimiento y la población puso en funcionamiento millones de equipos electrodomésticos, entregados masivamente a precios subsidiados o a su costo, con el respaldo de facilidades bancarias sin precedentes. Este hecho debe las gracias a la implementación de la Generación Distribuida, cimentada sobre la base de plantas diesel en su primera etapa de ejecución inmediata y posteriormente plantas fuel oil, parques eólicos entre otras. Estas plantas en general tienen bajo consumo energético, alta disponibilidad, facilidad para su instalación y niveles de potencia unitaria inferiores a las termoeléctricas; por tanto, la salida de funcionamiento de alguno de esos grupos no crearía nunca una crisis como la ocurrida en años anteriores.. 22.

(31) Figura 2.1 Grupo electrógeno. Actualmente están instalados en el país más de 1 000 MW en grupos electrógenos sincronizados. Ellos generan desde 116 de los 169 municipios del país, con la ventaja de reducir las pérdidas de transmisión al estar ubicados más cerca de los consumidores, y de asegurar la vitalidad económica y social de la nación en caso de eventos naturales adversos u otras situaciones extremas. Para significar su importancia basta añadir que ellos pueden generar aproximadamente la mitad de la electricidad demandada por el país en el horario pico. Mediante sus servicios se garantiza la protección, entre otros objetivos, de: 255 hospitales; 348 policlínicos; 119 clínicas estomatológicas; 245 bancos de sangre, hogares de ancianos y de impedidos físicos y mentales y farmacias principales; 639 panaderías; 356 centros de producción, conservación y elaboración de alimentos; 37 frigoríficos; 293 sistemas de bombeos, rebombeo y para potabilizar agua. A modo de ejemplo en la figura 2.2 se muestra la provincia Villa Clara con el grado de generación instalado (Hidro y Diesel) y preevisto a instalar (Fuel).. 23.

(32) Figura 2.2 Generación Distribuida en la Provincia Villa Clara. Una situación como la mostrada es la que existe en cada una de las 14 provincias del país, donde en algunas se pudiera incluir los primeros parques eólicos.. 2.3 Rehabilitación de Redes. El hecho del incremento de la demanda producido en el sector ha requerido además acometer un gran programa de rehabilitación de redes como parte del gran programa de la Revolución Energética. El programa consiste en cambio y reconfiguración de todos los elementos del sistema que ya no cumplían condiciones para la nueva operación.. 24.

(33) Dentro de estas podemos destacar el cambio de acometidas de entrada a las casas, cambio de calibre primario y secundario. Conductores que no tenían la capacidad necesaria para asegurar una distribución segura de energía. Revisar igualmente el estado técnico y la capacidad de los transformadores de distribución y subtransmisión a lo largo de todo el país, de los cuales se prevé sustituir próximamente unos 12 400. Los resultados del tercer capítulo del presente trabajo brindan una importante información para acometer esta tarea. Además, se cambiarán todos los elementos de las redes que no posean la calidad requerida o estén en un estado inadecuado, entre los que sobresale la sustitución de unos 16 mil postes eléctricos. Utilización de conectores UDC y grampas AMPAC en sustitución de empates directos. También lo hecho incluye la instalación de más de 2,3 millones de breackers en las viviendas. El costo de las labores previstas en las redes, resulta alto —262 millones—, pero permitirá reducir considerablemente los gastos y mejorar la calidad de la electricidad. En las zonas donde han sido rehabilitadas las redes, decrecieron las interrupciones. Durante el año anterior, aumentó, además, la fabricación nacional de transformadores. Dichos resultados y la importación permitieron instalar más de 11 700 en las redes de distribución.. 25.

(34) Figura 2.3 Rehabilitación de redes. En la siguiente tabla se aprecia el estado de avance de las principales acciones que se acometen en la provincia. Tabla 2.1 Estado de la Rehabilitación de Redes en la provincia VC.. Acciones de la Provincia. Ejecutado Plan del % en el Año Año 2007 Ejecución. Estimado a Ejecutar. Cambio Calibre Prim. (km). 64,2. 280. 22,9. 1 825. Cambio Calibre Secundario. 449. 1 517. 29,6. 2 957. Cambio Poste Primario. 1 761. 2 304. 76,4. 11 678. Cambio Poste Secundario. 1 685. 2 587. 65,1. 11 791. División de Circuito. 376. 1 040. 36,2. 2 351. Aumento Cap. Transf. Dist.. 274. 1 227. 22,3. 1 390. Cambio de Acometida. 35 821. 84 326. 42,5. 154 172. Instalación de Breacker. 15 522. 15 667. 99,1. 180 484. 26.

(35) Metros Contadores Cambiados. 14 546. 27 948. 52,0. 176 400. Instalación de UDC. 33 926. 168 652. 20,1. 462 316. 2.4 Sustitución de equipos electrodomésticos ineficientes. Las limitaciones de combustible convencional de uso doméstico estimularon la proliferación de cocinas y medios de cocción rústicas de gran ineficiencia; prácticamente no existía una sola vivienda en que estos equipos no estuvieran presentes en una u otra versión, pero todos con las mismas características de ser altos consumidores con rendimientos deficientes. Es conveniente, no obstante, señalar los aparatos ineficientes que más frecuentemente se encontraban en viviendas cubanas. − Hornillas eléctricas de alta potencia construidas con materiales y diseños inapropiados − Refrigeradores de viejas tecnologías, algunos de los cuales cuentan con más de 50 años de explotación y que presentan un avanzado estado de deterioro en puertas, aislamientos, juntas y termostatos. Muchos de ellos han sido enrollados en varias ocasiones − Ventiladores rústicos construidos con motores de 500 W y mayores con aspas inadecuadas − Uso extendido de la iluminación incandescente − Televisores a tubos. El simple concepto de sustitución de equipos de baja eficiencia por otros de menor consumo para realizar le misma función resulta sumamente ventajoso si se tiene en cuenta que en la mayoría de ellos el ahorro paga la inversión en plazos muy cortos. Como programa de la Revolución Energética, se estableció la acción combinada de sustituir el combustible convencional doméstico por la energía eléctrica y eliminar los equipos altos consumidores, para lo cual se estableció un módulo familiar formado por los siguientes equipos:. 27.

(36) MODULO DE EQUIPOS ELECTRICOS PARA EL HOGAR Hornilla eléctrica. 1200 W. Olla arrocera. 700 W. Olla universal. 820 W. Calentador. 1000 W. Jarra para hervir agua. 1700 W. De igual forma, y como parte de la estrategia de elevar la eficiencia de los equipos del hogar, se sustituyeron las obsoletas lámparas incandescentes por otras de alto rendimiento y los refrigeradores de gran tiempo de explotación por modelos modernos de menor consumo. A pesar de la disminución del consumo de los equipos gastadores, la demanda se ha incrementado por el equivalente del combustible fósil remplazado, aun teniendo en cuenta que todos estos equipos son de gran calidad en el aprovechamiento de la energía (aislamiento térmico, control energético, etc.). Dado que el equipamiento de calor, el de mayor demanda, de cada vivienda es el mismo para cada cliente, y que se utilizan a prácticamente las mismas horas, es evidente que su efecto sobre el gráfico de carga es el de mayor influencia.. 2.5 Consumo del Sector Residencial. Hoy en día el 80% de los núcleos familiares puede cocinar con electricidad, debido a la entrega de los módulos de cocción en sustitución de combustibles tradicionales de alto costo y nocivos para la salud como el keroseno. Actualmente el sector residencial en Cuba gasta el 45% de la electricidad que se consume, así que cualquier medida de carácter masivo para propiciar el ahorro en ese ámbito tiene elevada significación económica.. 28.

(37) Composición de los consumidores en la provincia. La composición de clientes de la provincia hasta abril de 2007 es la siguiente: − Privados 250 135, de ellos 248 779 residenciales. Que representan el 95 % del total de la provincia. − Estatales 11 472, que representan sólo el 4 % del total de consumidores. Estos se subdividen en Estatales Mayores 1 193 y Estatales Menores 10 279. El consumo mensual de la Provincia es aproximadamente 72 150 MW.h. En el siguiente diagrama de pastel se observa el consumo en porcentaje de los sectores Residencial y Estatal desglosado. Como puede apreciarse el sector residencial tiene 53 % de peso en el consumo total de la provincia, como ya se había mencionado.. 23% Residencial 2%. Alumbrado Industrial 53%. Agrapecuario Comercial. 20% 2%. Figura 2.4 Porcentaje del consumo por Sectores Producto de la adopción de estas medidas ha ocurrido un gran aumento de la potencia instalada y demandada y las características de consumo y demanda del sector residencial han sufrido un cambio que ha incidido grandemente en la gráfica o curva de carga de nuestro Sistema Electroenergético Nacional dado su predominio residencial. Si se observa la curva de la provincia Villa Clara en enero de 2006 cuando comenzó la entrega masiva de los equipos de cocción con la de diciembre de ese mismo año (figura 2.5) puede apreciarse notablemente este hecho.. 29.

(38) 250 enero diciembre 200. MW. 150. 100. 50. 0 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24. Figura 2.5 Curvas de la provincia antes y después de la entrega masiva de electrodomésticos de cocción.. Las razones antes expuestas hacen necesario acometer de forma inmediata una nueva caracterización del sector donde se determinen: − Las curvas típicas y la incidencia que sobre estas tienen los antiguos y nuevos electrodomésticos. − El comportamiento del factor de potencia. − Valor de demanda por consumidor. Estas interrogantes serán despejadas en el próximo capítulo.. 30.

(39) Capítulo 3. Determinación de las Curvas de Carga.. 3.1 Generalidades. Existen diversos métodos para estimar la demanda eléctrica, con los que se suelen realizar los estudios a largo plazo. Sin embargo, para determinar el comportamiento horario es prácticamente obligatorio analizar mediciones en instalaciones ya existentes analizando, además, la composición de los receptores asociados. [12, 21, 31] Los gráficos de carga del sector residencial se caracterizan por una elevada demanda en las primeras horas de la noche cuando la mayor parte de la familia regresa al hogar y se intensifica el uso de los equipos electrodomésticos. En los sistemas eléctricos donde el resto de las cargas tienen un peso reducido, los gráficos totales tienen formas horarias muy similares a los del sector residencial, sobre todo en el horario pico. La sustitución de los diversos tipos de combustibles domésticos por la energía eléctrica ha provocado una trasformación significativa en los gráficos de carga de este sector y por ende en todo el sistema, por lo que se requiere evaluar su impacto y características con el fin de realizar estudios más precisos y confiables. Los estudios realizados con anterioridad se han basado fundamentalmente en valores medios tomados de transformadores típicos, con los que se han instrumentado gráficos que se clasifican de acuerdo a los lugares de ubicación dentro de las áreas estudiadas (centro de las ciudades, periferias, zonas rurales, etc.) Esta forma de simplificar el problema ha dado resultados aceptables, si se tiene en cuenta que estudios de más rigor requieren mayor número de muestras y clasificarlas por estratos. La fuerte tendencia a la uniformidad del equipamiento doméstico de alto consumo ha tendido a establecer gráficos prácticamente semejantes en la mayor parte de los sectores de la población.. 31.

(40) 3.2 Diseño de experimento. En una residencia típica es posible encontrar más de 10 o 12 usos diferentes de la energía eléctrica para el bienestar, comodidad y confort de la familia. Estos equipos se utilizan en el momento en que se necesitan, y esta realidad hace que una vivienda sola pueda tener un gráfico de carga cualquiera, con su demanda máxima a cualquier hora del día, por lo que no puede tomarse como representativo para su generalización. La congregación de un grupo de clientes residenciales, sin embargo, ofrece una vista panorámica mucho más real en cuanto a la posible identificación de los patrones de consumo medio. El procedimiento consistió en reunir información técnica y comercial de varias subestaciones y transformadores de distribución de la ciudad de Santa Clara, los cuales conforman el universo de trabajo. Es necesario determinar cuantos circuitos y transformadores de distribución requieren ser estudiados para lograr un resultado confiable, la herramienta matemática que se utiliza en estos casos es la estadística.. 3.3 Método estadístico de selección. Conceptos básicos. Población: conjunto de individuos de los que se quiere obtener una información. (circuitos y transformadores) Muestra: conjunto de unidades o elementos de análisis sacados del marco. Error Muestral: Es una medida de la variabilidad de las estimaciones de muestras repetidas en torno al valor de la población, nos da una noción clara de hasta dónde y con qué probabilidad una estimación basada en una muestra se aleja del valor que se hubiera obtenido por medio de un censo completo. Siempre se comete un error, pero la naturaleza de la investigación nos indicará hasta qué medida podemos cometerlo. Varianza. Nivel de Confianza: Probabilidad de que la estimación efectuada se ajuste a la realidad. Varianza Poblacional: Cuando una población es más homogénea la varianza es menor y el número de entrevistas necesarias para construir un modelo reducido del universo, o de la. 32.

(41) población, será más pequeño. Generalmente es un valor desconocido y hay que estimarlo a partir de datos de estudios previos.. 3.3.1 Cálculo de la muestra. Cada estudio tiene un tamaño de muestra idóneo, que permite comprobar lo que se pretende con una seguridad aceptable y el mínimo esfuerzo posible. Para el cálculo del tamaño de la muestra en cada tipo de estudio existe una fórmula estadística apropiada. Se basa en el error estándar que mide el intervalo de confianza de cada parámetro que se analiza. La precisión estadística aumenta (disminuyendo el error estándar) cuando el tamaño de la muestra aumenta. Dado que el equipamiento de calor, el de mayor demanda, de cada vivienda es el mismo para cada cliente, y que se utilizan a prácticamente las mismas horas, es evidente que su efecto sobre el gráfico de carga es el de mayor influencia. Basados en este hecho no existe gran error si se considera que la probabilidad de coincidencia de los picos de los clientes sea alta (85 - 90 %) [23] y a partir de aquí se han determinado los valores de la muestra (transformadores dentro de los circuitos de distribución con carga residencial del orden del 94% o mayores) mediante las siguientes ecuaciones: [13, 28] n=. n' n' 1+ N. 3.1. p(1 - p) (se) 2. 3.2. y. n' =. donde: n. es el tamaño de la muestra. N. el número total de transformadores. p. es la probabilidad de de coincidencia de los picos. Con p = 0,9. (se)2. error estándar al cuadrado. Con se = 0,1.. 33.

(42) 3.3.2 Concepto de muestreo.. El muestreo es una herramienta de investigación científica. Su función básica es determinar que parte de una realidad en estudio, (población o universo) debe examinarse con la finalidad de hacer inferencias sobre dicha población. El error que se comete debido a hecho de que se obtienen conclusiones sobre cierta realidad a partir de la observación de sólo una parte de ella, se denomina error de muestreo. Obtener una muestra adecuada significa lograr una versión simplificada de la población, que reproduzca de algún modo sus rasgos básicos. Existen varios tipos de muestreo algunos de ellos se señalan a continuación. − Muestreo probabilística − Muestreo aleatorio simple − Muestreo sistemático − Muestreo aleatorio estratificado − Muestreo por conglomerado De ellos se utilizó el Muestreo aleatorio estratificado, pues respondía adecuadamente a los requerimientos del experimento. Pues el azar no es una garantía de representatividad. Con este muestreo se pretende asegurar la representatividad de cada grupo en la muestra (en nuestro caso, capacidades de los transformadores). Cuanto más homogéneos sean los estratos más precisas resultarán las mediciones. Este reúne una serie de ventajas y desventajas que se mencionan seguidamente. Ventajas: − Tiende a asegurar que la muestra represente adecuadamente en función de las variables seleccionadas. − Se obtienen estimaciones más precisas.. 34.

(43) Desventajas: − Se han de conocer la distribución en la población de las variables utilizadas para la estratificación (en el estudio esto no resulta una desventaja pues se conocen muy bien la variables) Con la utilización de estos métodos se procedió a la selección de los circuitos y transformadores a estudiar.. 3.4 Selección de los circuitos.. En la ciudad de Santa Clara de un total de 47 circuitos se seleccionaron tres, estos fueron el 5, 19 y 20 circuitos que presentan un peso residencial mayor que el 95 %. Las tablas con la totalidad de los circuitos y el porcentaje residencial se puede observar en el anexo 1. En la figura 3.1 se muestra parcialmente el monolineal de uno de ellos, como se aprecia, la mayoría de los bancos de transformadores son de una sola unidad (monofásicos) lo que demuestra el porcentaje residencial. Los monolineales completos de los tres circuitos se adjuntan en el anexo 2.. Figura 3.1 Porción de monolineal del circuito 5 de Sta. Clara.. 35.

(44) Estos circuitos cuentan además con la particularidad de estar protegidos con recerradores Nu-Lec con posibilidades de medición, estas características serán tratadas en el epígrafe 3.7.. 3.5 Selección de los bancos de transformadores.. Según el método estadístico utilizado, ecuaciones 3.1 y 3.2 se obtuvo la cantidad de transformadores a medir en cada uno de los circuitos, véase la tabla 3.1.. Tabla 3.1 Población y Muestra de los transformadores por circuito Circuito 19 20 5. Población (N) Muestra (n) 93 8 35 7 33 7. A través del muestreo estratificado se eligieron las capacidades y la selección física en el terreno se hizo de forma aleatoria, método usualmente utilizado [3]. Además de esto se tuvo en cuenta las condiciones reales con que contaba cada transformador para asimilar la instalación de las mediciones. Este hecho provocó algunos cambios en la ubicación pero manteniendo las condiciones de los estratos por lo que no se alteró la calidad de los resultados esperados. En la siguiente tabla se tienen los transformadores seleccionados según las potencias (estratos). Tabla 3.2 Trasformadores seleccionados según el muestreo estratificado. kVA Instalados Cto. 10 15 25 37 50 63 75 100 167 Total 0 1 8 30 39 9 6 19 Muestra 0 0 1 3 3 0 1 0 0 Total 2 1 3 10 14 0 3 2 0 20 Muestra 0 0 1 2 3 0 1 0 0 Total 5 2 3 3 15 1 2 0 2 5 Muestra 1 0 1 1 3 0 0 0 0. 36. Total 93 8 35 7 33 7.

(45) Los nombres y dirección de estos se muestran en la siguiente tabla. Para ver su ubicación física puede remitirse a los monolineales en el anexo 2. Tabla 3.3 Nombre y capacidad de los transformadores seleccionados. Circuito. 19. 20. 5. Nombre SB 0908 SB 0970 SB 0920 SB-0918 SB-0907 SB-0209 SB-0965 SB-0882 SB 0943 SB 1800 SB 0957 SB 0961 SB-0947 SB-1624 SB-0972 SB 0197 SB 0195 SB 0199 SB-2018 SB-2019 SB-0191 SB-0192. kVA 25 50 50 50 37 75 37.5 37.5 50 37.5 75 50 50 37.5 75 50 50 50 25 50 50 50. Direccción Miguel Coyula e/ San Pedro y Toscazo Síndico e/ Virtudes y Amparo Capitán Velasco e/ Toscazo y Ciclón Barcelona entre ciclón y Rodolfo Balderas San Pedro entre Miguel Coyula y Misionero Virtudes e/ Alejandro Ohms y Barcelona Pastora e/ Virtudes y San Pedro Estradapalma e/ Ciclón y Toscano Callejón del Expreso e/ Roble y Circunvalación Calle de la Torre e/ Roble y Jesús Menéndez Amparo e/ San Miguel y Calle de la Torre Ciclón e/ San Cristóbal y Candelaria Nasareno entre Roble y Callejón del Muerto Nasareno e/ Toscazo y Ciclon Caridad e/ San Pedro y Toscano 6ta e/ línea y San Rafael 4ta e/ línea y San Rafael Pablo Pich e/ 6ta y 5ta 2da e/ Pablo Pich y San rafael 2da e/ Pablo Pich y Morffi Pablo Pich e/ 1ra y 2da Pablo Pich e/ 2da y 3ra. 3.6 Épocas y plazos de medición.. Según estudios realizados con anterioridad [3, 25] la forma de la curva de carga varía con la época del año y el día de la semana. Por ello se requiere medir al menos 15 días en cada transformador y en diferentes temporadas. Los registros de energía se deben almacenar cada 15 o 30 minutos como se establece para los niveles de distribución [3, 16, 27]. 3.7 Equipos de medición.. Con el objetivo de velar por el comportamiento en el tiempo de la carga en los transformadores es necesaria la utilización de equipos de medición con posibilidades de almacenar las lecturas. 37.

(46) Para la ejecución la empresa eléctrica cuenta con metrocontadores digitales ABB (figura 3.2 y 3.3), estos agrupan una serie de ventajas como son su capacidad de programar los registros al tiempo deseado, almacenar lecturas de potencia activa, reactiva y aparente, factor de potencia entre otros. En la siguiente figura se observa un metro de los utilizados ya instalado en el lugar de medición.. Figura 3.2 Metrocontador ABB.. Figura 3.3 Metro ABB instalado en un transformador.. 38.